| 【発明の名称】 |
冷却装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】柳 邦一
【氏名】緒方 正実
【氏名】吉原 基司
|
| 【要約】 |
【課題】冷却能力を低下させずに冷却装置の小型化を実現する。
【解決手段】円筒形のアキュムレータ１３の軸中心に対して、冷却対象の温度流体と冷媒とを通す二重管構造の蒸発器１１をぼぼ同心円状にかつ同径の螺旋状に配置して、蒸発器１１の内部空間にアキュムレータ１１を取り囲む配置構成とする。また、二重管構造の凝縮器１４も同様の配置構成とすることができる。さらに、アキュムレータ１３の代わりに圧縮器１２を中心として蒸発器１１を同心円状に配置するようにしてもよい。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 冷却対象流体を冷却する冷却装置において、アキュムレータまたは圧縮器に対して二重管の蒸発器または二重管の凝縮器を少なくとも一つほぼ同心円状に配置したことを特徴とする冷却装置。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、蒸発器、圧縮器、アキュムレータ、凝縮器等を用いて冷媒を循環させて冷却対象流体を冷却する冷却装置に関し、特に循環式加熱冷却システムに用いられる冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、冷却対象流体を冷却する冷却装置は、蒸発器を熱交換を行って冷却対象流体を冷却するが、この際、蒸発器において熱交換された冷媒は、アキュムレータによって蓄圧され、圧縮器によって圧縮され、凝縮器によって凝縮され、この凝縮された冷媒は膨張弁を介して再度蒸発器に流入するサイクルを繰り返される。
【０００３】図５は、従来の冷却装置の配置概要を示す正面図であり、図６は、従来の冷却装置の配置概要を示す平面図である。
【０００４】図５および図６においては、蒸発器１１１、圧縮器１１２、アキュムレータ１１３、および凝縮器１１４が筐体１１９内においてそれぞれ重複配置されずに独立して配置される。なお、図５および図６において、蒸発器１１１、圧縮器１１２、アキュムレータ１１３、および凝縮器１１４の間における配管系、蒸発器１１１への冷却対象流体の配管系、凝縮器１１４に対する冷却水の配管系、さらには、弁を含む各配管系の制御装置は、筐体１１９内の残り空間を有効利用して配置される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の冷却装置では、蒸発器１１１、圧縮器１１２、アキュムレータ１１３、および凝縮器１１４は、冷媒を高圧にする場合もあり、応力の分散のため、これらの形状も円筒形、球形の形状とならざるを得ず、また、これらを独立した配置していることから、冷却装置全体の小型化が困難であり、冷却装置の小型化の要請に答えられないという問題点があった。
【０００６】一方、冷却装置全体の小型化を行うには、冷却装置の冷却能力を低減せざるを得ず、冷却装置を用いるシステムに与える影響が大きいという問題点もあった。
【０００７】なお、蒸発器や凝縮器の構造としては、冷却対象流体と冷媒とを通す二重管構造のものや、冷媒と冷却水とを通す二重管構造のものがある。
【０００８】そこで、本発明は、かかる問題点を除去し、冷却能力を低下させずに冷却装置の小型化を実現する冷却装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段および効果】請求項１の発明に係る冷却装置は、冷却対象流体を冷却する冷却装置において、アキュムレータまたは圧縮器に対して二重管の蒸発器または二重管の凝縮器を少なくとも一つほぼ同心円状に配置したことを特徴とする。
【００１０】請求項１の発明によれば、冷却対象流体と冷媒とを通す二重管構造の蒸発器および冷媒と冷却水とを通す凝縮器を用い、これらを螺旋的な構成としてアキュムレータまたは圧縮器に対してほぼ同心円状に配置するようにし、冷却装置内の無駄な空間をなくすようにしているので、冷却装置の冷却能力を低下させず、冷却装置全体の設置高さを変えずに設置面積を小さくすることができ、結果的に設置容量を低減し、冷却装置の小型化を促進することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態である冷却装置を含む循環式加熱冷却システムの回路図である。
【００１２】図１において、この循環式加熱冷却システムでは、半導体ウェハに各種半導体処理を実行する場合に適用する真空チャンバ１に温度流体（冷却対象流体）を循環供給し、この供給した温度流体によって半導体ウェハをその実行処理に応じた目標温度、例えば冷温状態（−２０〜２０℃）、中温状態（０〜６０℃）および高温状態（６０〜８０℃）等の温度状態に定常的に維持するため温度制御を行っている。なお、真空チャンバ１に循環供給させる温度流体としては、フロリナート（登録商標）、エチレングリコール、オイル、水等の液体や窒素、空気、ヘリウム等の気体の中から制御すべき目標温度に応じたものを適宜選択することができる。
【００１３】この循環式加熱冷却システムでは、流体循環供給ポンプ２の作動によって、真空チャンバ１に対して温度流体を循環供給する流体循環供給系３に、真空チャンバ１の排出口１ａ側から順にチラー（冷却装置）１０、蓄熱タンク２０およびハロゲンランプヒータ３０を介在させている。
【００１４】チラー１０は、蒸発器１１、圧縮器１２、アキュムレータ１３、凝縮器１４、および膨張弁１５を備え、蒸発器１１において真空チャンバ１から送られた温度流体を冷却するもので、上述した流体循環供給系３において真空チャンバ１の排出口１ａから流体循環供給ポンプ２に至る部位に配置している。
【００１５】蓄熱タンク２０は、その内部に熱量をもつ温度流体を貯留したもので、上述した流体循環供給系３においてチラー１０から流体循環供給ポンプ２に至る部位に配置しており、チラー１０を通過した温度流体と、この貯留した温度流体とを混合させ、これら温度流体相互間において熱の授受を行わせることにより、通過する温度流体の温度変動を緩和吸収する作用をなす。
【００１６】ハロゲンランプヒータ３０は、有底円筒状を成し、内周面に放射状のフィンを多数配設したヒータ本体と、石英ガラス等の光透過性の極めて高い材質によって構成し、ヒータ本体の中心部に装着することによってヒータ本体との間に円筒状の流体加熱通路を構成する透明筒と、この透明筒の内部に配設したハロゲンランプとを備える光加熱方式のもので、上述した流体循環供給系３において流体循環供給ポンプ２の吐出口２ａから真空チャンバ１の注入口１ｂに至る部位に配置し、吸入通路および排出通路を通じて上記流体加熱通路が流体循環供給系３に連通している。このハロゲンランプヒータ３０では、ハロゲンランプを点灯すると、このハロゲンランプから放射される赤外線が流体加熱通路を通過する温度流体、あるいは多数のフィンに吸収され、その放射熱によって温度流体が加熱されることになる。
【００１７】また、この循環式加熱冷却システムでは、上述した流体循環供給系３における蓄熱タンク２０から流体循環供給ポンプ２に至る部位に第１流量制御バルブ４０を介在させているとともに、この第１流量制御バルブ４０から流体循環供給ポンプ２に至る部位と、真空チャンバ１の排出口１ａからチラー１０に至る部位との間をバイパス通路５０によって互いに連通させ、さらにこのバイパス通路５０に第２の流量制御バルブ６０を介在させている。
【００１８】これら流量制御バルブ４０，６０は、バルブ制御部９０からの制御信号によって駆動するものであり、この制御信号に基づいてそれぞれの開度を変更して、各開度に応じて温度流体の通過流量をそれぞれ個別に制御する作用をなす。
【００１９】さらに、この循環式加熱冷却システムでは、流体循環供給系３におけるバイパス通路５０との合流地点Ｘに圧力吸収手段７０を接続している。圧力吸収手段７０は、上述した流体循環供給系３を外気から完全に隔絶した閉回路とした場合に、この流体循環供給系３に生じる圧力変動を吸収するためのもので、圧力吸収通路７１に接続した圧力吸収体７２と、圧力吸収通路７１に介在させた圧力制御バルブ７３とを備えている。圧力吸収体７２は、例えばベローズチューブ等のように、その内部圧力の変動に応じて容易に容積を変化させることができる密閉容器であり、圧力吸収通路７１の開放端を閉塞している。圧力制御バルブ７３は、上述した流体循環供給ポンプ２が作動している場合、並びに流体循環供給ポンプ２が停止し、かつ流体循環供給系３の内部圧力が設定値以上となっている場合にオン状態となり、上記圧力吸収体７２を流体循環供給系３に接続させる一方、流体循環供給ポンプ２が停止し、かつ流体循環供給系３の内部圧力が上述した設定値以下となっている場合にオフ状態となり、圧力吸収体７２と流体循環供給系３との間を断絶させる作用をなす。
【００２０】一方、上記循環式加熱冷却システムは、ランプ制御部８０およびバルブ制御部９０を備えている。
【００２１】ランプ制御部８０は、予め設定された目標温度と、温度センサ４を介して検出されるハロゲンランプヒータ３０を通過した後の温度流体の温度とに基づいて、ハロゲンランプヒータ３０の出力を制御するもの、具体的には、ランプ点灯時間のデューティ比や発光量を適宜調整するものである。
【００２２】バルブ制御部９０は、上記ランプ制御部８０からのランプ出力制御信号、上述した目標温度、さらには温度センサ４によって検出される温度流体の温度に基づいて第１流量制御バルブ４０および第２流量制御バルブ６０のそれぞれの温度を制御するものである。このバルブ制御部９０には、流体循環供給系３におけるバイパス通路５０との合流地点Ｘでの温度流体の混合温度と、この混合温度を達成するための各流量制御バルブ４０，６０の開度とが、データ配列として予め上述した目標温度に対応したものが１℃間隔で設定記憶されている。
【００２３】この循環式加熱冷却システムでは、半導体ウェハに施す実行処理に応じて目標温度が設定、あるいは変更されると、バルブ制御部９０によって、この目標温度をキーとしてデータ配列の中からこの目標温度に対応した温度流体の混合温度、並びにこの混合温度を達成するための各流量制御バルブ４０，６０の開度が選択され、チラー１０を通過した温度流体とバイパス通路５０を通過した温度流体との混合温度が上記目標温度よりも僅かに低くなるように、これら第１流量制御バルブ４０および第２流量制御バルブ６０のそれぞれの初期開度が設定される。例えば、目標温度が上述した低温状態の場合、第１流量制御バルブ４０の開度を大きく設定する一方、第２流量制御バルブ６０の開度を可及的に小さく設定し、また目標温度が上述した高温状態の場合、第１流量制御バルブ４０の開度を可及的に小さく設定する一方、第２流量制御バルブ６０の開度を大きく設定し、さらに目標温度が中温状態である場合、第１流量制御バルブ４０および第２流量制御バルブ６０をそれぞれ半開状態に設定する。
【００２４】第１流量制御バルブ４０および第２流量制御バルブ６０のそれぞれの初期開度が設定されると、チラー１０および流体循環供給ポンプ２が作動し、真空チャンバ１に温度流体が循環供給される状態、つまりチラー１０によって冷却された温度流体とバイパス通路５０を通過した温度流体とが、これら流量制御バルブ４０，６０のそれぞれの開度に応じた割合で混合され、さらにハロゲンランプヒータ３０を通過した後に真空チャンバ１に供給される一方、真空チャンバ１から排出された温度流体が、再び流量制御バルブ４０，６０の開度に応じた割合でチラー１０に送給されるものとバイパス通路５０へ送給されるものとに分岐されるようになる。
【００２５】さらに、ランプ制御部８０およびバルブ制御部９０が動作し、ランプ制御部８０によってハロゲンランプヒータ３０の出力が制御されるとともに、バルブ制御部９０によって第１流量制御バルブ４０および第２流量制御バルブ６０の開度がそれぞれ制御されることになる。
【００２６】この循環式加熱冷却システムに用いられるチラー１０を構成する各部は、図２〜図４に示す配置となる。
【００２７】ここで、図２は、この循環式加熱冷却システムに用いられるチラー１０の内部配置の概要構成を示す正面図であり、図３は、この循環式加熱冷却システムに用いられるチラー１０の内部配置の概要構成を示す平面図であり、図４は、この循環式加熱冷却システムに用いられるチラー１０の内部配置の概要構成を示す右側面図である。
【００２８】図２〜図４において、チラー１０は、主として蒸発器１１、圧縮器１２、アキュムレータ１３、および凝縮器１４とが長方形の筐体１９内に配置されている。
【００２９】蒸発器１０は、温度流体と冷却用の冷媒とを通す二重管構造であり、円筒形のアキュムレータ１１の軸を中心としてほぼ同心円状に螺旋巻き付け、アキュムレータ１３を内部に包むように配置される。すなわち、同心円状に配置された蒸発器１１の内部にアキュムレータ１３を抱き込む配置構成となっている。なお、蒸発器１１の二重管に流入して熱交換が行われる温度流体は、温度流体入口１７ａから流入し、温度流体出口１７ｂから流出する。また、蒸発器１１は断熱材１６で覆われており、熱交換効率を高めている。
【００３０】同様に、凝縮器１４も、冷却用の冷媒と冷却水とを通す二重管構造であり、円筒形のアキュムレータ１１の軸を中心としてほぼ同心円状に螺旋巻き付けされている。なお、図２〜図４に示すチラー１０の凝縮器１４はアキュムレータ１３を実際には抱き込んでいないが、抱き込むような構成としてもよい。なお、凝縮器１４の二重管に流入する冷却水は、冷却水入口１８ａから流入し、冷却水出口１８ｂから流出することによって冷媒を冷却する。
【００３１】一方、圧縮器１２は、蒸発器１１、アキュムレータ１３、および凝縮器１４とは独立した空間に配置される。これは、圧縮器１２は、ポンプを有するために振動が生じるため、この振動によって他の機器に影響を与える可能性があるためである。
【００３２】もちろん、この振動が他の機器に影響を与えないのであれば、例えば、蒸発器１１が、このほぼ円筒形状の圧縮器１２の軸を中心としてほぼ同心円状に螺旋巻き付けを行うようにしてもよい。
【００３３】なお、上述したチラー１０の蒸発器１１と凝縮器１４とのいずれも二重管構造としているが、いずれか一方を二重管構造としてアキュムレータ１３あるいは圧縮器１２の中心軸に対してほぼ同心円状に配置するようにしてもよい。
【００３４】また、上述した蒸発器１１および凝縮器１４は、アキュムレータ１３の軸に対してほぼ同径の同心円状となっているが、これに限定されるものではない。例えば、異なる径の同心円状とする配置であってもよい。極端に言えば、二重管構造の蒸発器１１は、異なる内径と外径とをもつ同心円状配置とする二重構造としてもよく、また凝縮器１４も同様である。さらには、断熱構造が可能であれば、蒸発器１１と凝縮器１４とを異なる内径と外径とをもつ同心円状配置とすることもできる。
【００３５】なお、上述した筐体１９内部には、配管系や制御系が実装されるのは言うまでもなく、それらは筐体１９内の残りの空間を用いて配置される。
【００３６】このようにして、図２〜図４に示すチラー１０は、温度流体と冷媒とを通す二重管構造の蒸発器１１または／および冷媒と冷却水とを通す凝縮器１４を用い、これらを螺旋的な構成としてアキュムレータまたは圧縮器に対してほぼ同心円状に配置するようにし、チラー１０内の無駄な空間をなくすようにしているので、チラー１０の冷却能力を低下させず、チラー１０全体の設置高さを変えずに設置面積を小さくすることができ、結果的に設置容量を低減し、チラーの小型化を促進し、ひいては、循環式加熱冷却システムの小型化をも実現することができる。
【００３７】なお、上述した実施の形態では、半導体ウェハの処理用の循環式加熱冷却システムに用いられる冷却装置（チラー）について述べたが、これに限らず、一般の冷却装置に適用することができるのは言うまでもない。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００１２３６
【氏名又は名称】株式会社小松製作所
|
| 【出願日】 |
平成１１年３月４日（１９９９．３．４） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７１０５４
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 高久
|
| 【公開番号】 |
特開２０００−２５７９６１（Ｐ２０００−２５７９６１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年９月２２日（２０００．９．２２） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−５７１１３ |
|