(57)【要約】【課題】冷媒回路の内部温度を常温から低温状態にさせて冷却器による冷却効果が得られるまでの起動時間を短縮するとともに、消費電力を低減できる混合冷媒冷却装置を提供する。【解決手段】冷媒分離タンク６５を、吸入側開閉弁７６及び吐出側開閉弁７９を介して冷媒回路１に接続し、吸入側開閉弁７６を開弁し、吐出側開閉弁７９を閉弁した状態で、所定量の低沸点冷媒を冷媒分離タンク６５に回収させて、冷媒回路１内を循環する混合冷媒中の低沸点冷媒の割合を減少させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸点の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、
前記圧縮機で圧縮された混合冷媒を冷却して一部を液化させる凝縮器と、
前記凝縮器で一部が液化された混合冷媒のうち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の気液分離器と、
前記各気液分離器で分離されたガス冷媒を、該各気液分離器で分離され且つ減圧された液冷媒との間で熱交換させて冷却して少なくとも一部を液化させる複数の熱交換器と、
前記複数の熱交換器のうち最も低温側の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冷却する冷却器とが接続された冷媒回路を有する混合冷媒冷却装置であって、
吸入ポートと吐出ポートとを有する少なくとも１つの冷媒分離タンクを備え、
前記冷媒分離タンクの前記吸入ポートは、吸入側開閉弁を介して前記気液分離器のガス冷媒吐出側に接続される一方、前記吐出ポートは、吐出側開閉弁を介して前記圧縮機の吸込側に接続されていることを特徴とする混合冷媒冷却装置。
【請求項２】
沸点の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、
前記圧縮機で圧縮された混合冷媒を冷却して一部を液化させる凝縮器と、
前記凝縮器で一部が液化された混合冷媒のうち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の気液分離器と、
前記各気液分離器で分離されたガス冷媒を、該各気液分離器で分離され且つ減圧された液冷媒との間で熱交換させて冷却して少なくとも一部を液化させる複数の熱交換器と、
前記複数の熱交換器のうち最も低温側の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冷却する冷却器とが接続された冷媒回路を有する混合冷媒冷却装置であって、
吸入ポートと吐出ポートとを有する膨張タンクと、
吸入ポートと吐出ポートとを有する冷媒分離タンクとを備え、
前記膨張タンクの前記吸入ポートは、冷媒吸入弁を介して前記気液分離器のガス冷媒吐出側に接続される一方、該膨張タンクの前記吐出ポートは、前記圧縮機の吸込側に接続され、
前記冷媒分離タンクの前記吸入ポートは吸入側開閉弁を介して、該冷媒分離タンクの前記吐出ポートは吐出側開閉弁を介してそれぞれ前記膨張タンクに接続されていることを特徴とする混合冷媒冷却装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記吐出側開閉弁の代わりに、全閉から全開の間で開度を調整可能な調整弁を備えていることを特徴とする混合冷媒冷却装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記冷媒回路内における所定位置を流通する混合冷媒の圧力及び温度のうち少なくとも一方を検出する検出手段を備え、
前記調整弁は、前記検出手段の検出結果に基づいてその開度を調整するように構成されていることを特徴とする混合冷媒冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合冷媒冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、混合冷媒を用いる超低温域の冷却装置には、常温では高圧のガス状態で存在する低沸点冷媒成分が一定の割合で封入されている。そのため、冷却装置を常温の状態から起動させた場合、ある程度の時間が経過して冷媒回路の内部（特に多段気液分離サイクルの最終段付近）が低温になるまでは、多量のガス冷媒が冷媒回路内を循環することになり圧縮機の吐出圧力が異常上昇する。
【０００３】
特許文献１には、ガス冷媒を膨張タンクに回収するようにした冷却装置が開示されている。この冷却装置では、圧縮機の吐出圧力が所定のレベルに達するたびに高圧のガス冷媒をこの膨張タンクに一時的に回収させて、圧縮機の吐出圧力が冷却装置の耐圧限界に達しないようにしている。そして、膨張タンクに回収されたガス冷媒を減圧手段（通常はキャピラリチューブ）により流量を抑制しながら圧縮機の吸込側へ戻すようにしている。
【０００４】
このようにすれば、圧縮機の吐出圧力の異常上昇を抑制することができ、冷却装置を安定稼働させることができる。
【特許文献１】特開２００５−２０７６６０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、冷却装置に大きな冷却能力が要求される場合、低沸点冷媒を多く封入する必要があり、冷却装置を常温の状態から起動させると低沸点冷媒はガス状態として存在している。
【０００６】
しかしながら、従来の冷却装置では、ガス冷媒を膨張タンクに回収させてもすぐに圧縮機の吸込側に戻すようにしているので、圧縮機の吐出圧力が高い状態が続き膨張タンクへのガス冷媒回収が頻繁に発生してしまう。そのため、高沸点冷媒から低沸点冷媒へと順次熱交換を効率良く行い、冷媒回路の内部温度をより早く常温から低温状態にする必要があるが、冷媒回路内を循環する混合冷媒中の低沸点冷媒の割合が多いと熱交換時における高沸点冷媒の冷却効果を妨げることになる。
【０００７】
その結果、冷媒回路が、高沸点冷媒から低沸点冷媒へと順次冷却されて常温から低温状態になり、低沸点冷媒の蒸発により冷却器の冷却効果が得られるまでの起動時間が長くなってしまうという問題がある。また、冷媒回路内を循環するガス冷媒が多いので、圧縮機の吐出圧力が高い状態で稼動させ続けなければならず、消費電力が大きくなってしまうという問題がある。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷媒回路の内部温度を常温から低温状態にさせて冷却器による冷却効果が得られるまでの起動時間を短縮するとともに、消費電力を低減できる混合冷媒冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した目的を達成するため、本発明は、吸入ポートと吐出ポートとを有する冷媒分離タンクを吸入側開閉弁及び吐出側開閉弁を介して冷媒回路に接続するようにした。
【００１０】
具体的に、本発明は、沸点の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、
前記圧縮機で圧縮された混合冷媒を冷却して一部を液化させる凝縮器と、
前記凝縮器で一部が液化された混合冷媒のうち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の気液分離器と、
前記各気液分離器で分離されたガス冷媒を、該各気液分離器で分離され且つ減圧された液冷媒との間で熱交換させて冷却して少なくとも一部を液化させる複数の熱交換器と、
前記複数の熱交換器のうち最も低温側の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冷却する冷却器とが接続された冷媒回路を有する混合冷媒冷却装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。
【００１１】
すなわち、請求項１の発明は、吸入ポートと吐出ポートとを有する少なくとも１つの冷媒分離タンクを備え、
前記冷媒分離タンクの前記吸入ポートは、吸入側開閉弁を介して前記気液分離器のガス冷媒吐出側に接続される一方、前記吐出ポートは、吐出側開閉弁を介して前記圧縮機の吸込側に接続されていることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、冷媒分離タンクの吸入ポートは吸入側開閉弁を介して気液分離器で分離されたガス冷媒の吐出側に接続され、吐出ポートは吐出側開閉弁を介して圧縮機の吸込側に接続されている。そして、吐出側開閉弁を閉じる一方、吸入側開閉弁を開いて混合冷媒を冷媒分離タンクに吸入させ、所定量の混合冷媒が吸入された後に吸入側開閉弁を閉じることで冷媒分離タンク内に混合冷媒を回収させる。このようにすると、常温の状態から起動させた混合冷媒冷却装置において、冷媒回路の内部温度の低下に直接寄与しない低沸点冷媒を冷媒分離タンクに回収させて冷媒回路内の混合冷媒中の低沸点冷媒の割合を減少させることができる。
【００１３】
その結果、混合冷媒冷却装置を常温の状態から起動させても、圧縮機の吐出圧力が高くなることが抑制され負荷が軽減されるので、比較的低い消費電力で稼働でき、混合冷媒中の沸点の高い冷媒から順に冷却されて効率良く冷媒回路の内部温度の低下が促進され、冷却器の冷却効果が得られるまでの起動時間を短縮することができる。
【００１４】
そして、所定時間が経過して冷媒回路の内部温度が低下した後は、吐出側開閉弁のみを開くことで低沸点冷媒を圧縮機の吸込側に戻して、最も低温側の熱交換器で熱交換させて液化した低沸点冷媒を冷却器で蒸発させて超低温冷却を実現することができる。
【００１５】
請求項２の発明は、吸入ポートと吐出ポートとを有する冷媒分離タンクと、
吸入ポートと吐出ポートとを有する膨張タンクとを備え、
前記膨張タンクの前記吸入ポートは、冷媒吸入弁を介して前記気液分離器のガス冷媒吐出側に接続される一方、該膨張タンクの前記吐出ポートは、前記圧縮機の吸込側に接続され、
前記冷媒分離タンクの前記吸入ポートは吸入側開閉弁を介して、該冷媒分離タンクの前記吐出ポートは吐出側開閉弁を介してそれぞれ前記膨張タンクに接続されていることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項２に係る発明によれば、膨張タンクの吸入ポートは、冷媒吸入弁を介して気液分離器のガス冷媒吐出側に接続され、膨張タンクの吐出ポートは、圧縮機の吸込側に接続されている。また、冷媒分離タンクの吸入ポートは吸入側開閉弁を介し、冷媒分離タンクの吐出ポートは吐出側開閉弁を介して膨張タンクにそれぞれ接続されている。
【００１７】
そして、冷媒分離タンクの吐出側開閉弁を閉じる一方、膨張タンクの冷媒吸入弁及び冷媒分離タンクの吸入側開閉弁を開いて混合冷媒を膨張タンクを介して冷媒分離タンクに吸入させ、所定量の混合冷媒が吸入された後に吸入側開閉弁を閉じることで冷媒分離タンク内に混合冷媒を回収させる。このようにすると、常温の状態から起動させた混合冷媒冷却装置において、冷媒回路の内部温度の低下に直接寄与しない低沸点冷媒を冷媒分離タンクに回収させて冷媒回路内の混合冷媒中の低沸点冷媒の割合を減少させることができる。
【００１８】
さらに、所定時間が経過して冷媒回路の内部温度が低下した後は、冷媒分離タンクの吸入側開閉弁を閉じたまま膨張タンクの冷媒吸入弁を閉じる一方、冷媒分離タンクの吐出側開閉弁を開くことで低沸点冷媒を膨張タンクを介して圧縮機の吸込側に戻して、最も低温側の熱交換器で熱交換させて液化した低沸点冷媒を冷却器で蒸発させて超低温冷却を実現することができるので、請求項１に係る発明と同様の効果を得ることができる。
【００１９】
また、冷媒分離タンクを膨張タンクに接続したので、冷媒回路と冷媒分離タンクとの間の配管を冷媒回路と膨張タンクとの間の配管と共有することができ、冷媒回路と冷媒分離タンクとの間の配管が不要となるため、省スペース化を図ることができる。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１又は２において、
前記吐出側開閉弁の代わりに、全閉から全開の間で開度を調整可能な調整弁を備えていることを特徴とするものである。
【００２１】
請求項３に係る発明によれば、冷媒分離タンクの吐出ポートと圧縮機の吸込側との間には、開度を調整可能な調整弁が接続されている。このため、調整弁の開度を調整することで、冷媒分離タンクに回収していた低沸点冷媒を少量ずつ冷媒回路に戻すことができる。その結果、冷媒回路内を循環する混合冷媒の流量の変化を少なくすることができ、混合冷媒冷却装置を安定して稼働させることができる。
【００２２】
請求項４の発明は、請求項３において、前記冷媒回路内における所定位置を流通する混合冷媒の圧力及び温度のうち少なくとも一方を検出する検出手段を備え、
前記調整弁は、前記検出手段の検出結果に基づいてその開度を調整するように構成されていることを特徴とするものである。
【００２３】
請求項４に係る発明によれば、調整弁は冷媒回路内における所定位置を流通する混合冷媒の圧力及び温度のうち少なくとも一方を検出する検出手段の検出結果に基づいて開度を調整するように構成されている。つまり、検出手段で冷媒回路内の所定位置を流通する混合冷媒の圧力が所定の圧力よりも低下したことを検出した場合、又は混合冷媒の温度が所定の温度よりも低下したことを検出した場合には、調整弁の開度を広げながら、冷媒分離タンクから冷媒回路に戻す低沸点冷媒の量を徐々に増加させるようにしている。
【００２４】
一方、冷媒回路内の所定位置を流通する混合冷媒の圧力が所定の圧力よりも上昇したことを検出した場合、又は混合冷媒の温度が所定の温度よりも上昇したことを検出した場合には、調整弁の開度を絞りながら、冷媒分離タンクから冷媒回路に戻す低沸点冷媒の量を徐々に減少させるようにしている。
【００２５】
このようにすると、調整弁の開度を冷媒回路内の混合冷媒の圧力及び温度に応じて適切に調整することができるので、冷媒分離タンクから低沸点冷媒の流量を調整しながら冷媒回路に戻すことができる。その結果、開閉弁を用いた場合に比べて冷媒回路内を循環する混合冷媒の流量、圧力及び温度の変化を少なくすることができ、混合冷媒冷却装置を安定して稼働させることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、常温の状態から混合冷媒冷却装置を起動させたときに、冷媒回路の内部温度の低下に直接寄与しない低沸点冷媒を冷媒分離タンクに回収させて冷媒回路内の混合冷媒中の低沸点冷媒の割合を減少させるようにしたから、圧縮機の吐出圧力が高くなることが抑制され負荷が軽減されるので、比較的低い消費電力で装置を稼働できる。さらに、混合冷媒中の沸点の高い冷媒から順に冷却されて効率良く冷媒回路の内部温度の低下が促進され、冷却器の冷却効果が得られるまでの起動時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、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ない。
【００２８】
＜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。
【００２９】
図１に示すように、真空成膜装置Ａには本発明の冷凍システムを構成する混合冷媒冷却装置１０が設けられており、この混合冷媒冷却装置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。
【００３０】
一方、図２は真空成膜装置のレイアウトの他の例を示し、前記混合冷媒冷却装置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混合冷媒冷却装置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。
【００３１】
前記混合冷媒冷却装置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。
【００３２】
図３は本発明の実施形態１に係る混合冷媒冷却装置の全体構成を示す冷媒系統図であり、１は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の吐出側にはガス冷媒の吐出圧力を検出する圧力センサ８１（検出手段）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潤滑油吐出側から油戻し管１８を経て圧縮機２０の吸込側に戻される。
【００３３】
前記第１の油分離器１５の冷媒吐出側には、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の吐出側には、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。
【００３４】
前記補助コンデンサ２２における１次側の吐出側には第１気液分離器２４が接続され、この第１気液分離器２４で、前記補助コンデンサ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のガス冷媒吐出側にはカスケードタイプの第１熱交換器２５の１次側が、また液冷媒吐出側には、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。
【００３５】
さらに、前記第１熱交換器２５における１次側の吐出側には第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のガス冷媒吐出側にはカスケードタイプの第２熱交換器３１の１次側が、また液冷媒吐出側には、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。
【００３６】
さらに、前記接続構造と同様にして、前記第２熱交換器３１における１次側の吐出側には、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、またこの第３熱交換器３７における１次側の吐出側には、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前記第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。
【００３７】
そして、前記第４熱交換器４３における１次側の吐出側には、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次側の吐出側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。
【００３８】
前記副冷媒配管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前記第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。
【００３９】
一方、前記主冷媒配管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。前記クライオコイル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、前記真空チャンバ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、前記第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。
【００４０】
また、前記過冷却器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。
【００４１】
なお、前記クライオコイル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。
【００４２】
また、前記コンデンサ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。
【００４３】
さらに、前記第１気液分離器２４のガス冷媒吐出側と第１熱交換器２５の１次側との間の冷媒配管と、冷媒分離タンク６５の吸入ポート６５ａとの間には、冷媒流入管６７が接続されている。また、冷媒流入管６７の途中と膨張タンク６６の吸入ポート６６ａとの間には、分岐配管６８が接続されている。
【００４４】
前記冷媒分離タンク６５は、混合冷媒冷却装置１０を常温の状態で起動させた直後から冷媒回路１の内部温度が所定の温度に低下するまでの間、冷媒回路１内を循環する低沸点冷媒を回収するためのものである。そして、冷媒流入管６７及び分岐配管６８の接続部と、冷媒分離タンク６５の吸入ポート６５ａとの間には、吸入側開閉弁７６が接続されている。
【００４５】
また、前記冷媒分離タンク６５の吐出ポート６５ｂには、低沸点冷媒を圧縮機２０の吸込側に戻す冷媒戻し管８２が接続されている。さらに、冷媒戻し管８２の管路途中には、吐出側開閉弁７９と、低沸点冷媒を減圧するキャピラリチューブ８０とが圧縮機２０の吸込側に向かって順に接続されている。つまり、吸入側開閉弁７６及び吐出側開閉弁７９を閉弁すると、冷媒分離タンク６５内に低沸点冷媒を密封させることができるようになっている。
【００４６】
前記膨張タンク６６は、混合冷媒冷却装置１０の起動時、又は稼働中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。また、分岐配管６８の管路途中には、冷媒吸入弁７７が接続されている。そして、前記膨張タンク６６の吐出ポート６６ｂには、ガス冷媒を圧縮機２０の吸込側に戻す冷媒戻し管６９が接続されている。さらに、冷媒戻し管６９の管路途中にはガス冷媒を減圧するキャピラリチューブ７８が接続されている。
【００４７】
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。このデフロスト回路６０には、第２の油分離器１６と電磁開閉弁６１とが第１の油分離器１５側からクライオコイル５２側に向かって順に接続されている。この第２の油分離器１６で分離された潤滑油は、前記第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。また、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前記デフロスト回路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。
【００４８】
また、前記デフロスト回路６０の第２の油分離器１６よりも下流側と、第６キャピラリチューブ５３と過冷却器４７の２次側との間と、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。
【００４９】
さらに、前記クライオコイル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、混合冷媒冷却装置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。
【００５０】
次に、本発明の実施形態１に係る混合冷媒冷却装置１０の動作について説明する。まず、予め冷媒回路１内には、超低温レベルの寒冷を発生させるために、冷媒供給管路７０から低沸点冷媒の割合が多い混合冷媒を供給し充填させておく。そして、常温の状態から混合冷媒冷却装置１０を起動させると、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、電磁開閉弁６１の閉弁によりデフロスト回路６０が閉じられ且つ電磁開閉弁６２の開弁により主冷媒配管２ａが開かれる。このとき、吸入側開閉弁７６が開弁され且つ吐出側開閉弁７９が閉弁される。
【００５１】
そして、圧縮機２０で圧縮された混合冷媒は、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。
【００５２】
次に、気液混合状態となった混合冷媒は、第１気液分離器２４に流入しガス冷媒と液冷媒とに分離される。そして、低沸点冷媒を含むガス冷媒は第１気液分離器２４のガス冷媒吐出側から吐出され、その一部が冷媒流入管６７を流通して冷媒分離タンク６５に吸入される。その後、所定量の低沸点冷媒が冷媒分離タンク６５内に吸入されると吸入側開閉弁７６は閉弁され、冷媒回路１内を循環する混合冷媒中の低沸点冷媒の一部を冷媒分離タンク６５に回収させる。
【００５３】
これにより、混合冷媒冷却装置１０の起動直後の常温状態において、冷媒回路１の内部温度の低下に直接寄与しない低沸点冷媒を冷媒分離タンク６５内に回収させて冷媒回路１内の混合冷媒中の低沸点冷媒の割合を減少させることができる。
【００５４】
その結果、圧縮機２０の吐出圧力が高くなることが抑制され負荷が軽減されるので、比較的低い消費電力で混合冷媒冷却装置１０を稼働させることができる。
【００５５】
また、第１気液分離器２４において分離された液冷媒は、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のガス冷媒吐出側から吐出されて第１熱交換器２５の１次側に流入した混合冷媒が冷却され、その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。
【００５６】
以後、同様にして、第２乃至第４熱交換器３１，３７，４３で低沸点冷媒の割合が減少した混合冷媒のうちの沸点の高い順にガス冷媒がそれぞれ凝縮して液化される。
【００５７】
その結果、混合冷媒中の沸点の高い冷媒から順に冷却されるので、効率良く冷媒回路１の内部温度の低下が促進され、クライオコイル５２の冷却効果が得られるまでの起動時間を短縮することができる。
【００５８】
そして、所定時間が経過して冷媒回路１の内部温度が低下すると、吸入側開閉弁７６を閉じたまま吐出側開閉弁７９のみを開弁し、冷媒膨張タンクに回収させていた低沸点冷媒を冷媒戻し管８２に流通させて、キャピラリチューブ８０で減圧しながら圧縮機２０の吸込側に戻して冷媒回路１内を循環させる。そして、冷媒回路１に戻されて低沸点冷媒の割合が多くなった混合冷媒が、前述したように第２乃至第４熱交換器３１，３７，４３で順次凝縮され、最も沸点の低いガス冷媒が第４熱交換器４３で熱交換により凝縮されて液化する。
【００５９】
さらに、前記第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、この蒸発熱により前記第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。
【００６０】
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低沸点冷媒の残部は第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。そして、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。
【００６１】
ここで、混合冷媒冷却装置１０の稼働中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、冷媒吸入弁７７が開弁され、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を通って膨張タンク６６に吸入される。そして、圧縮機２０の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、冷媒吸入弁７７が閉弁され、膨張タンク６６から冷媒戻し管６９を流通させて、キャピラリチューブ７８で減圧されながら圧縮機２０の吸込側にガス冷媒が戻される。
【００６２】
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起動時には、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。
【００６３】
そして、このデフロスト起動の後に、再度真空チャンバ１２０内を真空状態にするときには、前記と同様にして、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。
【００６４】
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。
【００６５】
なお、本実施形態では、膨張タンク６６と冷媒分離タンク６５とがそれぞれ１つずつ並列に接続された構成について説明したが、複数の膨張タンクを直列又は並列、もしくは直列と並列とを組み合わせて接続させた構成としてもよく、複数の冷媒分離タンクを直列又は並列、もしくは直列と並列とを組み合わせて接続させた構成としてもよい。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
＜実施形態２＞
図４は、本発明の実施形態２に係る混合冷媒冷却装置の全体構成を示す冷媒系統図である。前記実施形態１との違いは、吐出側開閉弁７９とキャピラリチューブ８０に代えて調整弁８５を備えている点であるため、実施形態１と同じ構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００６９】
図４に示すように、本実施形態２に係る混合冷媒冷却装置１００において、冷媒分離タンク６５の吐出ポート６５ｂには、低沸点冷媒を圧縮機２０の吸込側に戻す冷媒戻し管８２が接続されている。また、冷媒戻し管８２の管路途中には、全閉から全開の間で開度を調整可能な調整弁８５が接続されている。そして、調整弁８５と調整弁コントローラ８６とは信号線８９を介して接続されている。
【００７０】
さらに、圧縮機２０の吐出側には、混合冷媒の圧力を検出する圧力センサ８１（検出手段）が接続されている。また、第４気液分離器４２のガス冷媒吐出側には、混合冷媒の温度を検出する温度センサ８３（検出手段）が接続されている。
【００７１】
そして、前記調整弁コントローラ８６と圧力センサ８１とは、信号線８７を介して接続されている。また、調整弁コントローラ８６と温度センサ８３とは、信号線８８を介して接続されている。
【００７２】
ここで、前記圧力センサ８１は、混合冷媒の圧力の検出結果を調整弁コントローラ８６に出力するように構成されている。また、温度センサ８３は、混合冷媒の温度の検出結果を調整弁コントローラ８６に出力するように構成されている。
【００７３】
そして、前記調整弁コントローラ８６は、圧力センサ８１及び温度センサ８３の検出結果に基づいて、調整弁８５の開度を調整する開度調整信号を調整弁８５に出力するように構成されている。
【００７４】
具体的に、混合冷媒の圧力が所定の圧力よりも低下したことが前記圧力センサ８１により検出された場合、又は混合冷媒の温度が所定の温度よりも低下したことが前記温度センサ８３により検出された場合には、調整弁コントローラ８６は、調整弁８５の開度を広げるように開度調整信号を調整弁８５に出力する。すると、調整弁８５は、開度を広げながら冷媒分離タンク６５から冷媒回路１に戻す低沸点冷媒の量を徐々に増加させるようになっている。
【００７５】
一方、混合冷媒の圧力が所定の圧力よりも上昇したことが前記圧力センサ８１により検出された場合、又は混合冷媒の温度が所定の温度よりも上昇したことが前記温度センサ８３により検出された場合には、調整弁コントローラ８６は、調整弁８５の開度を絞るように開度調整信号を調整弁８５に出力する。すると、調整弁８５は、開度を絞りながら冷媒分離タンク６５から冷媒回路１に戻す低沸点冷媒の量を徐々に減少させるようになっている。
【００７６】
このように、調整弁８５の開度を冷媒回路１内の圧力及び温度に応じて適切に調整することができるので、冷媒分離タンク６５から低沸点冷媒の流量を調整しながら冷媒回路１に戻すことができる。その結果、実施形態１の構成に比べて冷媒回路１内を循環する混合冷媒の流量、圧力及び温度の変化を少なくすることができるので、混合冷媒冷却装置１００を安定して稼働させることができる。
【００７７】
なお、図示しないが、圧力センサを冷媒分離タンク６５と圧縮機２０の吸込側とにそれぞれ設け、それらの差圧を調整弁８５の開度調整に用いてもよい。
【００７８】
＜実施形態３＞
図５は、本発明の実施形態３に係る混合冷媒冷却装置の全体構成を示す冷媒系統図である。前記実施形態１との違いは、冷媒分離タンク６５と膨張タンク６６とを接続した点であるため、実施形態１と同じ構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００７９】
図５に示すように、本実施形態３に係る混合冷媒冷却装置１１０において、膨張タンク６６の吸入ポート６６ａと第１気液分離器２４のガス冷媒吐出側と第１熱交換器２５の１次側との間の冷媒配管との間には、冷媒流入管６７が接続されている。また、膨張タンク６６の吐出ポート６６ｂには、混合冷媒を圧縮機２０の吸込側に戻す冷媒戻し管６９が接続されている。そして、冷媒流入管６７の管路途中には冷媒吸入弁７７が接続されており、冷媒戻し管６９の管路途中には、キャピラリチューブ７８が接続されている。
【００８０】
また、冷媒分離タンク６５の吸入ポート６５ａと膨張タンク６６とは連結配管９０を介して接続され、吐出ポート６５ｂと膨張タンク６６とは連結配管９１を介して接続されている。そして、連結配管９０の管路途中には吸入側開閉弁７６が接続され、連結配管９１の管路途中には吐出側開閉弁７９とキャピラリチューブ８０とが膨張タンク６６に向かって順に接続されている。
【００８１】
次に、本実施形態３に係る混合冷媒冷却装置１１０の動作について説明する。まず、常温の状態で混合冷媒冷却装置１１０を起動させると、吸入側開閉弁７６及び冷媒吸入弁７７はともに開弁される一方、吐出側開閉弁７９は閉弁される。
【００８２】
そして、冷媒回路１内を循環する混合冷媒が冷媒流入管６７を流通して膨張タンク６６に吸入され、膨張タンク６６内の混合冷媒中の低沸点冷媒の一部が、連結配管９０を介して冷媒分離タンク６５に吸入される。その後、所定量の低沸点冷媒が冷媒分離タンク６５内に吸入されると吸入側開閉弁７６は閉弁され、冷媒回路１内を循環する混合冷媒中の低沸点冷媒の一部が冷媒分離タンク６５に回収される。
【００８３】
そして、所定時間が経過して冷媒回路１の内部温度が低下した後は、吸入側開閉弁７６を閉じたまま冷媒吸入弁７７を閉じる一方、吐出側開閉弁７９を開くことで低沸点冷媒を膨張タンク６６を介して圧縮機２０の吸込側に戻すことができるので、実施形態１と同様の効果を得ることができる。
【００８４】
さらに、冷媒分離タンク６５を膨張タンク６６に接続したので、冷媒流入管６７と冷媒戻し管６９とを膨張タンク６６と共有でき、冷媒分離タンク６５と冷媒回路１との間の配管が不要となるため、省スペース化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
以上説明したように、本発明は、冷媒回路の内部温度を常温から低温状態にさせて冷却器による冷却効果が得られるまでの起動時間を短縮するとともに、消費電力を低減できる混合冷媒冷却装置を提供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】
【００８６】
【図１】本発明の実施形態１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に係る混合冷媒冷却装置の全体構成を示す冷媒系統図である。
【図４】本実施形態２に係る混合冷媒冷却装置の全体構成を示す冷媒系統図である。
【図５】本実施形態３に係る混合冷媒冷却装置の全体構成を示す冷媒系統図である。
【符号の説明】
【００８７】
１    冷媒回路
１０    混合冷媒冷却装置
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    冷媒分離タンク
６５ａ  吸入ポート
６５ｂ  吐出ポート
６６    膨張タンク
６６ａ  吸入ポート
６６ｂ  吐出ポート
７６    吸入側開閉弁
７７    冷媒吸入弁
７９    吐出側開閉弁
８１    圧力センサ（検出手段）
８３    温度センサ（検出手段）
８５    調整弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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