JP2004184027A - Cooling system - Google Patents

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JP2004184027A
JP2004184027A JP2002354006A JP2002354006A JP2004184027A JP 2004184027 A JP2004184027 A JP 2004184027A JP 2002354006 A JP2002354006 A JP 2002354006A JP 2002354006 A JP2002354006 A JP 2002354006A JP 2004184027 A JP2004184027 A JP 2004184027A
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Osamu Suenaga
修 末永
Yoshinori Kureishi
芳憲 暮石
Tadahiro Omi
忠弘 大見
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance heat recovery efficiency with cooling water. <P>SOLUTION: This double pipe type cooling system 30 comprises double cooling water pipelines 38 consisting of an inside cooling passage 32 having a plurality of lines arranged in parallel to encircle a peripheral portion of a reaction chamber 12, an outside cooling passage 34 having a plurality of lines arranged in parallel to encircle an outer peripheral portion of the inside cooling passage 32, and a plurality of communication lines 36 for communicating the inside cooling passage 32 with the outside cooling passage 34. The double cooling water pipelines 38 are constructed to supply cooling water to the plurality of lines arranged in parallel for cooling all peripheral portions of a silica bell-jar 20 and a Si wafer 18, therefore enhancing the heat recovery efficiency with the cooling water. A heat insulating material 40 is laid between the inside cooling passage 32 and the outside cooling passage 34 for insulating the heat of the cooling water flowing in the inside cooling passage 32 even when temperature rise occurs therein. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷却システムに係り、特に高温に加熱された発熱体を冷却水の供給により冷却する際の冷却効率を高めるよう構成された冷却システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
高温の発熱体を冷却水により冷却する冷却システムとしては、例えば、半導体製造装置に用いられた冷却装置がある。この半導体製造装置では、石英ガラスに囲まれた反応室(収納室)を減圧すると共に反応室に反応ガスを供給し、ヒータによって加熱された高温環境下(約800°C)で反応室に収納されたSi(シリコン)ウエハの表面に薄膜を形成する。そのため、半導体製造装置においては、薄膜形成されたSiウエハが高温に加熱されているので、Siウエハを冷却した後、反応室から取り出す。
【0003】
図1は従来の冷却システムが取り付けられた半導体製造装置の概略構成を示す縦断面図である。
図1に示されるように、従来の冷却システム10は、後述するように1本の銅管を曲げ加工した冷却水管路11(図1中、破線で示す)を有する。冷却水管路11は、上部がリング状に形成された上側保持部13aに保持され、下部がリング状に形成された下側保持部13bに保持されている。
【0004】
また、冷却システム10においては、発熱体となるSiウエハ18に近接する冷却水管路11の内側に肉厚1mmのアルミニウム製の円筒部材19aを設け、円筒部材19aの外周に外径3/8インチの銅管からなる冷却水管路11で取り巻き、さらに冷却水管路11の周辺を肉厚1mmアルミニウム板からなる円筒部材19bで囲むように構成されている。
【0005】
この冷却システム10が取り付けられた半導体製造装置14は、バッチ処理方式の縦型炉を用いた構成であり、昇降可能に設けられたステージ16の石英ボード16aに複数枚のSiウエハ18を所定の間隔で積層させた状態で薄膜を形成させるものである。
【0006】
また、半導体製造装置14は、ステージ16が上昇することで複数枚のSiウエハ18が石英ベルジャ20で囲まれた反応室12に挿入され、反応室12の周囲に設けられた複数の棒状ヒータ22によって反応室12を加熱する。反応室12においては、減圧されると共に高温に加熱されてSiウエハ18の表面に薄膜を形成する。
【0007】
また、石英ベルジャ20の周囲は、断熱材24によって囲まれており、反応室12の熱が周囲に放射されないように構成されている。そして、断熱材24の外周には、冷却システム10の冷却水管路11が設けられている。
【0008】
また、冷却水管路11は、石英ベルジャ20が搭載された昇降ベース26に支持されており、石英ベルジャ20と共にエレベータ機構(図示せず)により昇降する。
【0009】
この冷却システム10では、反応室12での薄膜形成処理が終了すると、ステージ16が降下すると共に、石英ベルジャ20及び冷却水管路11が搭載された昇降ベース26が降下して石英ベルジャ20及びSiウエハ18を周囲から冷却する。
【0010】
冷却システム10では、冷却水管路11に室温と同一温度(約23°C)の水を供給して、高温(約800°C)に加熱されたSiウエハ18の温度を下げると共に、周囲(クリーンルーム内)への放熱を低減する。
【0011】
また、冷却水管路11を通過して外部に排出される冷却水は、反応室12の熱を吸収して温度が約27.5°Cに上昇して外部に排出される。そして、冷却水管路11から排出された冷却水は、外部に設置された熱交換器(図示せず)によって約23°Cまで冷却されて再び冷却水管路11に戻される。
【0012】
ここで、従来の冷却システム10が適用された冷却設備の一例について図2を参照して説明する。
【0013】
図2に示されるように、従来の冷却設備28では、1次側の冷却経路に大型の冷凍機Rを有する構成である。この冷凍機Rは、工場内のあらゆる発熱部からの熱負荷を、水を媒体として回収して冷却する設備である。例えば、冷凍機Rが電気をエネルギーとするターボ冷凍機の場合、冷凍機Rは10°Cの冷水を5°Cの冷水に冷却する能力を有する。
【0014】
冷凍機Rによって回収された熱は、冷却水に伝達され、この冷却水を送水ポンプP1及び送水ラインL1により冷却棟CTに供給することで屋外へ放出される。また、冷凍機Rで作られた5°Cの冷水は、1次側の冷水槽CWTに貯留される。そして、冷水槽CWTの冷却水は、送水ポンプP3及び送水ラインL3を介して熱交換器HEXの1次側へ供給される。
【0015】
この熱交換器HEXの2次側は、上記冷却水管路11及びその他の発熱部に冷却水を供給する冷却水供給ライン29に連通されている。従って、冷却水管路11等を介して回収された熱は、熱交換器HEXを介して1次側の冷却水へ伝達される。
【0016】
冷水槽CWTから供給された5°Cの冷水は、熱交換器HEXにおいて10°Cに温度上昇した水となり、冷水槽CWTに戻され、送水ポンプP2及び送水ラインL2を介して冷凍機Rに戻されて5°Cの冷水に冷却される。また、上記冷却水管路11に供給される2次側の冷却水は、熱交換器HEXにより23°Cの水に冷却され、送水ポンプP4及び送水ラインL4により上記半導体製造装置14の冷却システム10やその他の発熱体へ供給される。
【0017】
冷却システム10において、発熱体であるSiウエハ18から熱回収し、高温(例えば、27.5°C)となった冷却水は、2次側のバッファ槽Buに貯留され、さらに送水ポンプP4及び送水ラインL4によりバッファ槽Buから熱交換器HEXの2次側に供給されて23°Cの冷却水となる。
【0018】
このように従来の冷却設備28では、冷凍機Rや送水ポンプP1〜P4等のエネルギーを必要とする設備機器が多数設置され、且つ、冷却水の送水経路も多数必要であるので、設備の初期コストと運転コストが膨大となっていた。
【0019】
図3は従来の冷却システム10に用いられた冷却水経路11を示す展開図である。
図3に示されるように、従来の冷却システム10の冷却水管路11は、1本の銅管を曲げ加工したものであり、複数の直管11aと、隣合う直管11aの端部を連通する曲げ部11bとが交互に形成されている。この冷却水管路11は、冷却水管路11の一端が冷却水の流入口11cであり、冷却水管路11の他端が冷却水の流出口11dである。そのため、流入口11cから供給された冷却水は、複数の直管11a及び曲げ部11bを通過した後、流出口11dから外部に排出される。
【0020】
図4は冷却水管路11の取付状態を示す斜視図である。
図4に示されるように、冷却水管路11は、上記のように展開された状態から石英ベルジャ20の外周を囲むように環状に形成される。従って、この冷却システム10では、冷却水が発熱体の周辺を上方、下方、上方と流れて周囲を周回することで冷却するように構成されている。
【0021】
このように冷却水を循環させるように構成された従来の冷却システム10では、半導体製造装置14から発生した膨大な熱を処理するために大量の冷却水を供給する必要があった。さらに、その際の冷却水導入温度と排出温度の温度差は、例えば、4.5°C程度であった。
【0022】
上記のように構成された従来の冷却システム10は、冷却水管路11が冷却水の導入部から排出部まで1本の銅管で構成されるため、冷却水への配管抵抗が大きくなり、送水ポンプへの負荷が大きくなる。さらに、冷却システム10内での温度分布のばらつきが大きく、発熱体(被冷却体)であるSiウエハ18への熱影響にばらつきが生じるおそれがあった。
【0023】
そのため、従来の冷却システム10では、冷却水を搬送する送水ポンプを駆動するための動力として膨大なエネルギーを消費し、さらに排出された冷却水は、熱交換器に設けられた冷却設備の負荷としてのみ働いていた。このため、従来の冷却システム10においては、冷却設備が肥大化し、エネルギー消費量の増加を招くという問題があった。
【0024】
このような問題を解決するため、本出願人は、先に冷却管路が内側冷却経路と外側冷却経路とが同心円状に配置された2重管式冷却システムと呼ばれる冷却システムを提案した(例えば、特許文献1参照)。
【0025】
【特許文献1】
PCT国際公開番号 WO/01/03168 A1(FIG.6参照)
【0026】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような2重管式冷却システムにおいては、冷却水を外側冷却経路に供給し、外側冷却経路を通過した冷却水を内側冷却経路に供給することで冷却効率(熱回収効率)を高める構成としたが、冷却水の送水速度と熱伝導率との関係及び送水速度と冷却効率との関係についての検討が不十分であったので、十分な冷却効率を得られないおそれがあった。
【0027】
また、わが国では、地球温暖化の抑制を促進するために温室効果ガス(CO)の排出量の削減が求められており、各産業におけるエネルギー消費量の削減をどのように進めるかが模索されている。
【0028】
そして、半導体製造設備の産業分野においては、半導体製造装置が設置されるクリーンルーム内における熱回収効率を高めることで温室効果ガス(CO)の排出量の削減に貢献できるものと考えられている。
【0029】
そのため、クリーンルームで消費されるエネルギー(電力)をシミュレーションしたところ、クリーンルーム内の温度を一定に保つように温度調節を行う空調設備よりも半導体製造装置で消費される電力が大きく、その中でもSiウエハを加熱した後の熱を除去するための冷却水の冷却及び冷却水の循環に要するエネルギー消費量が大きいことが分かった。
【0030】
すなわち、冷却水を循環させる冷却システムでは、電気エネルギーの消費を抑制して温室効果ガス(CO)の排出量の削減に貢献するために、冷却水による熱回収効率を高めることが重要である。
【0031】
そこで、本発明は上記課題を解決した冷却システムを提供することを目的とする。
【0032】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、以下のような特徴を有する。
上記請求項1記載の発明は、ヒータにより加熱される発熱体を収納する収納室と、収納室を囲むように形成された冷却経路とを有し、冷却経路に冷却水を供給して発熱体を冷却するように構成された冷却システムにおいて、冷却経路は、複数の管路が収納室の周囲を囲むように並列に配置された第1の経路と、複数の管路が第1の経路の外周を囲むように並列に配置された第2の経路と、第1の経路と前記第2の経路との間を連通する複数の連通路と、からなるものであり、冷却水を並列に配置された複数の管路に供給して冷却水による熱回収効率を高めることが可能になる。
【0033】
請求項2記載の発明は、冷却水を乱流となる流速で第1の経路及び第2の経路に供給するものであり、第1の経路及び第2の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることが可能になる。
【0034】
請求項3記載の発明は、冷却水をレイノルズ数が1000以上となる流速で第1の経路及び第2の経路に供給するものであり、冷却水が乱流状態で第1の経路及び第2の経路に送水され、第1の経路及び第2の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることが可能になる。
【0035】
請求項4記載の発明は、冷却水供給部を第1の経路または第2の経路の何れか一方に連通し、冷却水排出部を第1の経路または第2の経路の何れか他方に連通したものであり、第1の経路及び第2の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることが可能になる。
【0036】
請求項5記載の発明は、収納室と第1の経路との間に熱を吸収する熱吸収体を設けたものであり、収納室で発生した熱を熱吸収体で吸収し、熱吸収体の周囲を冷却することにより熱回収効率を高めることが可能になる。
【0037】
請求項6記載の発明は、収納室に熱伝導性の高いガスを充填するガス充填ユニットを備えたものであり、収納室で発生した熱を熱伝導性の高いガスを介して回収し、熱回収効率を高めることが可能になる。
【0038】
請求項7記載の発明は、第1の経路と第2の経路との間に断熱材を介在させたものであり、第1の経路と第2の経路との間の熱伝導を抑制すると共に、収納室からの熱が周囲に伝導することを防止する。
【0039】
請求項8記載の発明は、第1の経路が複数の管路の流出側端部を連通する流出側共通管路を備えたものであり、複数の管路を通過した冷却水を同時に排出して熱回収効率を高めることが可能になる。
【0040】
請求項9記載の発明は、第2の経路が複数の管路の流入側端部を連通する流入側共通管路を備えたものであり、複数の管路に同時に冷却水を供給して熱回収効率を高めることが可能になる。
【0041】
請求項10記載の発明は、流出側共通管路から流出された冷却水を熱交換器に供給するものであり、第1の経路及び第2の経路を通過して温度上昇した冷却水を熱交換器で冷却して第1の経路及び第2の経路に供給することにより熱回収効率を高めることが可能になる。
【0042】
請求項11記載の発明は、冷却水を乱流となる流速で流入側共通管路に供給するものであり、第1の経路及び第2の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることが可能になる。
【0043】
請求項12記載の発明は、複数の管路が所定の間隔で収納室に対向するように平行に配置されたものであり、収納室の全周を均等に冷却して熱回収効率を高めることが可能になる。
【0044】
請求項13記載の発明は、複数の連通路が複数の管路の夫々の端部から分岐するように並列に配置されたものであり、複数の連通路を介して第1の経路からの冷却水を第2の経路の複数の管路へ供給することにより、収納室の全周を均等に冷却して熱回収効率を高めることが可能になる。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の一実施例について説明する。
図5は本発明になる冷却システムの一実施例を示す縦断面図である。
【0046】
図5に示されるように、本発明の二重管式冷却システム30では、複数の管路が反応室12の周囲を囲むように並列に配置された内側冷却経路(第1の経路)32と、複数の管路が内側冷却経路32の外周を囲むように並列に配置された外側冷却経路(第2の経路)34と、内側冷却経路32と外側冷却経路34との間を連通する複数の連通路36(図5中破線で示す)と、から構成された二重冷却水管路38を有する。
【0047】
二重管式冷却システム30は、発熱体であるSiウエハ18に近接する位置にアルミニウム製の円筒部材19aが設けられ、内側冷却経路32が円筒部材19aの円周方向外側に設けられ、断熱材40を介して外側冷却経路34が設けられている。
【0048】
二重冷却水管路38は、後述するように、冷却水を並列に配置された複数の管路に供給して石英ベルジャ20及びSiウエハ18を全周から冷却する構成であるので、冷却水よる熱回収効率を高めることが可能になる。
【0049】
内側冷却経路32及び外側冷却経路34は、上部がリング状に形成された上側保持部13aに保持され、下部がリング状に形成された下側保持部13bに保持されている。
【0050】
また、内側冷却経路32と外側冷却経路34との間には、断熱材40が介在している。外側冷却経路34に供給される冷却水は、クリーンルームの温度が変化しないようにクリーンルームの室温と同一温度に冷却されて供給されるため、内側冷却経路32を流れる冷却水の温度が上昇しても断熱材40によって熱が遮断される。そのため、内側冷却経路32の熱は、断熱材40によって遮断され、外側冷却経路34に伝導しないようになっている。
【0051】
ここで、図6を参照して本発明の二重管式冷却システム30が適用された冷却設備の一例について説明する。
【0052】
図6に示す冷却設備42では、上記二重管式冷却システム30に供給される冷却水供給温度をクリーンルームの室温と同じ23°Cに制御しており、この冷却水が送水ポンプP4及び送水ラインL4を介して二重管式冷却システム30の二重冷却水管路38へ供給され、半導体製造装置14の発熱部から熱回収を行なう。
【0053】
このとき、二重冷却水管路38を用いた二重管式冷却システム30では、冷却水の排出温度が50°C以上、温度差として30°C以上となるように冷却水量を制御する。二重冷却水管路38に供給される冷却水の流量は、例えば、従来の冷却システム10の場合の54000(L/hr)に対して8100(L/hr)に減少することが分かった。このことにより、送水ポンプP4に必要とされる軸動力は、従来の1/6程度に削減することが可能となる。
【0054】
さらに、二重冷却水管路38から排出された水は、熱交換器HEXにより50°C以上から23°Cに冷却される。その際には、熱交換器HEXでは、従来のような冷水による冷却ではなく、加熱源を必要とする外気処理装置(例えば、冷却棟CT等)の再熱部分または予熱部分(図示せず)、他の生産装置の加温部分(図示せず)にて熱放出することにより、冷却水を23°Cに戻す。
【0055】
この方法を取ることにより、従来必要とされていた大型の冷凍機R、及び5°C系の送水ポンプP2,P3及び送水ラインL2,L3は不要となり、設備機器点数の削減ならびに送水ラインの簡素化が実現でき、冷却設備における初期コストおよび運転コストの大幅な削減が可能となり、エネルギー生産性の向上が実現される。
【0056】
また、冷却設備42で消費されるエネルギーは、5.5KWで済み、従来の冷却設備28で消費されるエネルギーが30KWに対して約1/6に削減することが可能になる。
【0057】
これにより、二重管式冷却システム30では、半導体製造装置14が設置されるクリーンルーム内における熱回収効率を高めることが可能になり、ひいては温室効果ガス(CO)の排出量の削減にも貢献できる。
【0058】
ここで、二重冷却水管路38の構成について説明する。
図7は二重管式冷却システム30に用いられた二重冷却水経路38を示す展開図である。
図7に示されるように、二重管式冷却システム30の二重冷却水管路38は、内側冷却経路32と外側冷却経路34とに分割されており、内側冷却経路32と外側冷却経路34との間が複数の連通管36によって連通されている。
【0059】
外側冷却経路34は、上下方向に延在するように配置された複数の直管34aと、複数の直管34aの上端が連通されるように円周方向に延在形成された流入側共通管路34bとから構成されている。流入側共通管路34bは、一端が冷却水供給口であり、他端側が複数の直管34aと並列に接続されている。
【0060】
複数の直管34aは、夫々一定の間隔B毎に平行に配置されている。流入側共通管路34bを介して複数の直管34aに供給された冷却水は、後述するように乱流で流れるように所定の流速以上の流速で上方から下方へ流れる。
【0061】
複数の直管34aの下端は、二股状に分岐した2本の連通管36に連通されている。連通管36は、側面からみるとU字状に湾曲されるため、管内抵抗が増大するが、2本の連通管36に分岐することにより、冷却水の圧力損失を軽減する。
【0062】
内側冷却経路32は、上下方向に延在するように配置された複数の直管32aと、複数の直管32aの上端が連通されるように円周方向に延在形成された流出側共通管路32bとから構成されている。流出側共通管路32bは、一端が冷却水排出口であり、他端側が複数の直管32aと並列に接続されている。
【0063】
また、内側冷却経路32の複数の直管32aの下端は、夫々2本の連通管36に連通される。尚、本実施例では、内側冷却経路32及び外側冷却経路34に、例えば、外径10mm、内径8mmのアルミニウム製配管が用いられる。
【0064】
図8は二重冷却水管路38の取付状態を示す斜視図である。
図8に示されるように、冷却水管路36は、上記のように内側冷却経路32と外側冷却経路34とが展開された状態から内側冷却経路32が内層を形成し、外側冷却経路34が外層を形成するように互いに対向させ、連通管36を湾曲させる。さらに、内側冷却経路32及び外側冷却経路34は、石英ベルジャ20の外周を囲むように環状に形成される。
【0065】
従って、本発明の二重管式冷却システム30では、先ず、空気層での対流現象をなくし、システム外への熱漏洩を低減するために、二重冷却水管路38をシステム上方端部においても熱回収が可能となる。
【0066】
さらに、二重管式冷却システム30では、二重冷却水管路38の内側冷却経路32と外側冷却経路34との間に断熱材40を設け、二重管式冷却システム30の内面の温度を上昇させ、熱回収効率を向上させるとともに、二重管式冷却システム30の外表面からの熱放出を低減させることが可能になる。
【0067】
ここで、上記のように構成された二重管式冷却システム30の熱回収効率について説明する。
【0068】
この二重管式冷却システム30における冷却水の流れは、導入水、排出水に関わらず、必ず室温相当の冷却水を二重冷却水管路38に流れるようにする。これは二重管式冷却システム30から、クリーンルーム雰囲気への熱放出を低減するためである。
【0069】
前述した従来の冷却システム10では、膨大な熱を処理するための大量の冷却水が冷却水管路11に供給されていた。さらに、その際の冷却水導入温度と排出温度の温度差は、例えば、4.5°Cと極めて小さいものであった。
【0070】
そのため、冷却水を搬送するための送水ポンプで消費される動力として膨大な電気エネルギーを消費し、さらに排出された冷却水は、冷凍機Rなどの冷却設備の負荷としてのみ働いていた。
【0071】
このため冷却設備は肥大化し、エネルギー消費量の増加をもたらした。
このため本研究では、システムの改善に加えて、その運用方法についても検討を進める。次式で示されるように、熱負荷量が等しい場合、冷却水と、導入温度と排出温度の温度差の問には反比例の関係が成り立つ。
【0072】
q=Vρw・cw・(To−Ti)
=Vρw・cw・△T …(1)
ここで、q:冷却熱量(Kcal/min)、V:冷却水流量(L/min)、ρ:冷却水密度(kg/L)、cw:冷却水の比熱(Kcal/kg°C)、To:冷却水排出温度(°C)、Ti:冷却水導入温度(°C)である。
【0073】
上記(1)式より、冷却水量を低減することにより、温度差を大きくすることが可能であることが分かる。
【0074】
本実施例では、二重冷却水管路38から排出される排水の温度を高温にすることにより、温度的にポテンシャルの高い水を設備側へ戻すように構成されている。この排出された温水は、加熱エネルギーとして工場内の他の場所にて再利用する。これにより、冷却水の送水動力の削減と、冷凍機設備への負荷削減、並びに冷却設備の縮小が可能になる。 ここで、図9及び図10を参照して二重冷却水管路38の円周方向の温度分布について説明する。
【0075】
図9は二重管式冷却システム30を上方からみた横断面図である。図10は二重冷却水管路38の円周方向の温度分布を示すグラフである。尚、図10に示す実験結果は、炉内温度を800°C、冷却水の流量を5L/minとした条件下で行なったものである。
【0076】
二重冷却水管路38の内側冷却経路32及び外側冷却経路34は、複数の直管32a,34aが等ピッチ間隔で並列に設けられているので、図9に示されるように、円周方向において、全周に亘り冷却水を均等に供給する。
【0077】
そのため、図10に示されるように、二重冷却水管路38の冷却水導入部を0°とした円周方向の温度分布には、全周に亘り大きな温度変化はなく、どの角度でもおよそ360°Cから370°Cの範囲内での分布に留まっていることが分かる。
【0078】
ここで、図11及び図12を参照して従来の冷却システムの円周方向の温度分布について説明する。
【0079】
図11は従来の冷却システム10を上方からみた横断面図である。図12は従来の冷却水管路11の円周方向の温度分布を示すグラフである。尚、図12に示す実験結果は、本実施例の場合と同様に炉内温度を800°C、冷却水の流量を5L/minとした条件下で行なったものである。
【0080】
図11及び図12に示されるように、従来の冷却システム10では、冷却水導入部を0(基点)とした際、時計回りに角度180°付近で温度低下(およそ225°Cから175°Cへ低下)することが分かる。さらに、時計回りに角度180°付近から360°付近にかけて、温度上昇(およそ175°Cから250°Cへ上昇)することが分かる。
【0081】
この実験結果から従来の冷却システム10の円周方向の最大温度部と最小温度部での温度差は、およそ75°Cにもなる。この実験結果の温度分布は、冷却システム10の構造および冷却水の導入方法に影響を受けている。つまり、冷却水が冷却システム10の導入され排出されるまでの温度上昇が、このような円周方向への温度分布のばらつきを発生させたものと考えられる。
【0082】
これは、発熱体であるSiウエハ18に対して均一な冷却を行なっていないことに相当する。ひいては、薄膜形成後のSiウエハ18ヘの温度分布のばらつきによる温度影響も懸念される。
【0083】
これに対し、本発明の二重管式冷却システム30では、上記従来のものと比較して、円周方向での温度分布のばらつきが小さくSiウエハ18を全周で均等に冷却することが可能である。このように二重管式冷却システム30による温度分布が良好である理由としては、Siウエハ18の円周に対し複数の並列管路からパラレルに冷却水を供給する点と、内側冷却経路32と外側冷却経路34との間に介在された断熱材40の影響によるものと考える。
【0084】
すなわち、二重管式冷却システム30では、Siウエハ18を全周で均一な冷却が行なわれ、ひいては、薄膜形成後のSiウエハ18ヘの温度影響も均一である。よって、二重管式冷却システム30によれば、クリーンルーム内の温度を一定に保つように温度調節を行う空調設備の負荷が軽減され、ひいては温室効果ガス(CO)の排出量の削減にも貢献できる。
【0085】
ここで、図13及び図14を参照して二重冷却水管路38の半径方向の温度分布について説明する。
【0086】
図13はヒータ外周に設けられた断熱材からの距離と温度との関係を示すグラフである。図14は二重管式冷却システム30の半径方向の構成を簡略化して示す図である。尚、図13に示す実験結果は、炉内温度を800°Cに設定し、冷却水の流量を0.5〜7L/minとした場合の、二重管式冷却システム30の半径方向温度変化を示す。また、図14では、横軸がヒータ外周部の断熱材24の内面を0(基点)とした半径方向への距離を示す。
【0087】
図13及び図14に示されるように、冷却水の流量の違いに関わらず、ヒータ22に近接する断熱材24の内表面温度は、約920°Cに達し、断熱材24の外表面温度は、約400°Cに低下する。また、二重管式冷却システム30の内表面温度は、約360°Cになり、二重管式冷却システム30の外表面温度は、約60°Cに低下する。
【0088】
ここで、図15及び図16を参照して従来の冷却システム10の半径方向の温度分布(温度勾配)について説明する。
【0089】
図15は従来システムのヒータ外周に設けられた断熱材からの距離と温度との関係を示すグラフである。図16は従来の冷却システム10の半径方向の構成を簡略化して示す図である。尚、図15では炉内温度を800°Cに設定し、冷却水の流量をO.5〜7L/minとした場合の、従来の冷却システムの半径方向温度変化を示す。また、図15では、横軸がヒータ外周部に対向する断熱材24の内面を0(基点)とした半径方向への距離を示す。
【0090】
図15及び図16に示されるように、冷却水の流量の違いに関わらず、断熱材24の内表面温度は、約900°Cに達し、断熱材24の外表面温度は、420°Cに低下する。また、冷却システム10の内表面温度は、約240°Cになり、冷却システム10の外表面温度は、約80°Cに低下する。
【0091】
図13に示す本発明の実験結果と図15に示す従来システムの実験結果とを比較すると、先ず、冷却システム外表面温度が従来の80°Cに対して本発明が60°Cであるので、20°Cの温度低下が可能となり、冷却システム外表面からクリーンルームへの熱放出が低減できることを確認できた。
【0092】
さらに、システム内面温度は、従来の240°Cから本発明のように360°Cへ高温化させることにより、炉内からの熱放出のほとんどを二重管式冷却システム30の内表面で受け、冷却水の循環により熱回収することが可能となり、後述する熱回収効率を向上することが可能となった。
【0093】
ここで、従来の冷却システム10の熱回収効率が20%〜30%と極めて低い原因は、断熱材24の外表面温度(約420°C)から冷却システム10の内表面温度(約240°C)への急激な温度低下により効率よく冷却システム側へ熱伝導していないことが考えられる。
【0094】
さらに、従来の冷却システム10の外表面温度は、約80°Cであることから、冷却システム10の内表面で受けた熱を効率よく冷却水へ伝達せずに冷却システム10の外表面から空気層50を介してクリーンルームへ放出しているため、熱回収効率が20%〜30%であると考えられる。
【0095】
図17は、断熱材24と冷却システムとの間に介在する空気層50について半径方向への温度分布の実験結果を示すグラフである。尚、図17では、横軸が断熱材24の外表面を0(基点)とした半径方向への距離を表す。
【0096】
図17に示されるように、空気層50は、断熱材24の外表面から5mmの位置を境界として高温層と低温層の2層によって構成されていることが分かった。この温度分布の結果から、この空気層50では熱対流現象が生じていることが推察される。
【0097】
また、断熱材24の表面では、空気層50に放出された熱が、直接冷却システム10に伝達することなく、一旦熱対流に従い上方へ移動し、冷却システム上部の低温部分にて冷却される。この際の熱は、冷却システム10の外部へ放出され、冷却された空気が冷却システム10の表面に沿って下降する現象が発生しているものと思われる。
【0098】
そのため、空気層50を介した冷却システム10の内面温度は240°C(図15参照)となり、これにより熱回収効率が20〜30%に留まることとなったと推察される。
【0099】
ここで、図18乃至図20を参照して本発明の二重管式冷却システム30の熱回収効率について説明する。また、図21に従来の冷却システム10の熱回収率の冷却水流量との関係を示す。
【0100】
図18は二重管式冷却システム30の冷却水量、および炉内設定温度に対する冷却効率を示すグラフである。尚、図18において、ヒータ22ヘ投入された電気エネルギーに対する回収熱量の比を冷却効率として表す。
【0101】
図21に示すように、従来の冷却システム10の熱回収効率は、約20%程度である。これに対して、二重管式冷却システム30では、図18に示すように、冷却水の流量が約2〜7L/minの領域で70〜75%の高い熱回収効率を持つことが確認された。
【0102】
つまり、二重管式冷却システム30に変更することにより、熱回収効率は従来の約3倍程度に向上させることが可能となる。
【0103】
図19に示されるように、このとき、二重管式冷却システム30に供給される冷却水の流量に拘らず、炉体にて消費される電気エネルギーを増加させることはなかった。このことは、従来の冷却システム10で回収できずに空気層50を介して系外へ放出されていた熱、もしくは他の冷却システムで補助的に回収されていた熱を一つの二重管式冷却システム30にて回収することが可能となった。
【0104】
しかも、二重管式冷却システム30によれば、冷却水の流量を2L/minまで減少させても熱回収効率を約70%の保つことができるので、熱回収効率を高めた状態のまま冷却水の流量を削減することが可能である。これは、二重管式冷却システム30の内側の空気層50における熱対流を抑制したからであると考えられる。
【0105】
しかし、図18に示されるように、冷却水の流量が2L/min以下の領域において、急激な冷却効率の低下が生じることも確認された。この現象は、従来の冷却システム10で冷却水の流量が1L/min以下の領域においても生じる兆候を図21のグラフからも確認できる。
【0106】
この低流量域での熱回収効率の低下については、レイノルズ数Reにて説明することができる。レイノルズ数は、式(2)のように流体密度ρ(kgm)、流体流速v(m/sec)、流路の管径d(m)、流体の粘度μ(Pa・sec)で表されるか、もしくは式(3)のように流体流速v(m/sec)、流路の管径d(m)、流体の動粘度v(m/sec)で表される無次元数である。
【0107】
Re=ρvd/μ (2)
=vd/v (3)
このレイノルズ数の大きさによって、流体(本実施例では、冷却水)が乱流であるか層流であるかを見極めることが可能である。流体が乱流から層流への遷移が生じるレイノルズ数を臨界レイノルズ数といい、レイノルズ数が臨界値を下回る際は、流体は層流となり、逆に上回る際は、乱流となる。流体が水平方向への流れが生じる場合の値は約2000であることが知られている。
【0108】
このとき、流体が熱に晒される場合、その熱伝導率は流体が乱流であるか、層流であるかによって大きく異なる。つまり、二重管式冷却システム30の熱伝導率は、レイノルズ数に支配される。例えば、水平方向への流れの場合、Re=2000以上つまり乱流では熱伝導率が大きくなり、Re=2000以下つまり層流では熱伝導率が小さくなる。
【0109】
また、この乱流から層流への遷移は、流体の流れが上昇流か下降流かによって異なってくる。上昇流の場合、冷却水そのものの流れと、熱対流による上昇流により、臨界レイノルズ数は小さくなる傾向を示す。また、下降流の場合は、その逆の現象が生じる。
【0110】
そして、従来の冷却システム10においては、冷却水の流れが上昇流と下降流とが交互に行われるため、冷却水管路11(図3参照)を流れる冷却水によるレイノルズ数の変化は相互に打ち消され、水平流の場合と同様に臨界レイノルズ数が2000付近に存在する。
【0111】
これに対し、本発明の二重冷却水管路38の場合、主に熱回収する部位は冷却水が内側冷却経路32の複数の直管32aを流れる上昇流域であるため、臨界レイノルズ数は小さくなる傾向を示し、Re=1000付近となる。この臨界レイノルズ数に相当する冷却水の流量が、従来方式で1L/minであり、本発明の二重管式冷却システム30では、2L/minである。
【0112】
以上の理由により、本発明の二重管式冷却システム30は、冷却水の流量を2L/minに削減しながらも、従来システムの3倍の熱回収効率を確保することが可能である。
【0113】
また、二重管式冷却システム30での低流量運用時には、冷却水のレイノルズ数が、上昇流の場合Re=1000以上となるような冷却水管路11の配管経路と、送水ポンプP4による流量制御を行なう必要がある。
【0114】
ここで、二重管式冷却システム30に用いられた冷却水管路11の内径、および流体流速の最適化について説明する。
【0115】
先ず、前提条件として、二重管式冷却システム30において、排出水の温度が80°C以上となり、熱回収効率が4〜7L/min時と同様な70%となることとし、冷却水の最小流量を決定する。また、炉内温度を800°Cに保つ際に、ヒータ22にて消費された電力は6kW(図19参照)であったことから、回収されるべき熱量qは、その70%に相当する4.2kWである。
【0116】
また、25°Cの冷却水を二重管式冷却システム30に供給し、80°C以上の冷却水を二重管式冷却システム30から排出させた場合、冷却水の温度差Δtは、55°C以上である。その際の冷却水の流量は、前述したように約1L/minと算出される。
【0117】
これが、本実施例で熱回収効率70%以上を維持するための最小流量となる。そこで、1.0L/minの冷却水を供給する際に二重管式冷却システム30の配管径は、次のように求めることができる。
【0118】
尚、二重管式冷却システム30の配管径の算出方法としては、前述の(3)式を用い、レイノルズ数がRe=1000以上(乱流)とすることを条件にして配管径dを求める。冷却水が乱流で流れることにより、層流状態よりも二重冷却水管路38の配管内面から冷却水への熱伝導が効率良く行われる。
【0119】
その結果、配管径(内径)は、7.1mm以下となる。その際の冷却水流速が0.05m/sec以上となるようにすることで、冷却水のさらなる低流量化、および高熱回収が可能になる。
【0120】
ここで、上記のように最小流量、配管径(内径)を求める計算例を例示する。
【0121】
本実施例の冷却システム30に1.0L/minの冷却水を供給し、70%以上の熱回収効率を得るための流路配管径の算出する場合、以下のような計算式を用いて求まる。
【0122】
Re=vd/v≧1000 …(4)
v=Q/S/60
=Q/{(d/2)π×8}/60 …(5)
Re=[Q/{(d/2)πx8}/60]d/v
≧1000 …(6)
Q=1.0(L/min) …(7)
ν=3.65xlO−7(m/sec) …(8)
上式において、Reはレイノルズ数、vは冷却水の流速(m/sec)、Qは流量(L/min)、Sは流路断面積(m)、νは冷却水の動粘度(m/sec)である。
【0123】
上式の演算結果より冷却水の流量をQ=1.0(L/min)にして熱回収効率70%以上を確保するためには、配管径(内径)はd≧7.1(mm)、最小流速はv≧O.05(m/sec)となる。
【0124】
図22は二重管式冷却システム30の冷却水流量に対する冷却熱量、電力及び冷却水温度差の変化を示すグラフである。図23は従来の冷却システム10の冷却水流量に対する冷却熱量、電力及び冷却水温度差の変化を示すグラフである。
【0125】
図22に示されるように、二重管式冷却システム30では、冷却水流量に拘らず、電力はほぼ6KWで一定している。また、冷却水流量が1.0(L/min)に減少すると、冷却水温度差ΔTが最大値である約40°Cまで上昇して熱回収効率が高まることが分かる。
【0126】
これに対し、従来の冷却システム10では、図23に示されるように、本実施例と同様に冷却水流量に拘らず、電力はほぼ6KWで一定している。また、従来の冷却システム10では、冷却水流量を1.0(L/min)に制御しても、冷却水温度差ΔTが約15°C程度にしかならず、本実施例のものよりも熱回収効率が低いことが分かる。
【0127】
ここで、変形例について説明する。
図24は冷却システムの変形例1の概略構成を示す図である。
図24に示されるように、変形例1では、二重管式冷却システム30の内側に熱吸収率の高いブラックボード(熱吸収体)52が設けられている。ブラックボード52は、円筒形状に形成されており、ヒータ22によって加熱された複数のSiウエハ18の外周を囲むように設けられている。
【0128】
ブラックボード52は、熱吸収効率を高めるため、表面が黒色処理されている。そして、複数のSiウエハ18を載置したステージ16がヒータ22の下方に降下すると共に、昇降ベース26が降下することにより、二重管式冷却システム30及びブラックボード52は、複数のSiウエハ18の外周に対向する位置に降下する。
【0129】
この降下状態では、複数のSiウエハ18の熱が空気層54を介してブラックボード52の内面に輻射してブラックボード52の表面温度が上昇する。ブラックボード52の熱は、二重管式冷却システム30の内側冷却経路32を流れる冷却水に伝導されて回収される。
【0130】
このように、熱吸収効率の高いブラックボード52を発熱体であるSiウエハ18の周囲に配置することで、二重管式冷却システム30における熱回収効率をより高めることができる。
【0131】
図25は冷却システムの変形例2の概略構成を示す図である。
図25に示されるように、変形例2では、二重管式冷却システム30の内側に熱吸収率の高いブラックボード52を設け、ヘリウム供給装置56から供給されたヘリウム(He)をブラックボード52の内部空間に充填してヘリウム層58を形成する。そのため、複数のSiウエハ18は、ブラックボード52の内部空間にヘリウムが充填された雰囲気中に収納された状態で二重管式冷却システム30によって冷却される。
【0132】
ヘリウムは、空気などの気体よりも熱伝導率が良いので、Siウエハ18から放射された熱を効率良くブラックボード52の内面に伝達することが可能である。そのため、変形例2では、ヘリウム層58とブラックボード52が二重管式冷却システム30の内側に形成されるため、上記変形例1の場合よりも熱伝導率が向上しており、二重管式冷却システム30における熱回収効率をより高めることができる。
【0133】
図26は従来の方式及び上記変形例1、2の冷却によるSiウエハ18の温度変化を示すグラフである。尚、図26において、グラフIはSiウエハ18を鏡面ステンレスとスチール製の筐体内で自然に冷却した場合のグラフである。グラフIIは従来の強制対流方式の冷却システムでSiウエハ18を冷却した場合のグラフである。グラフIIIは変形例1の冷却システムでSiウエハ18を冷却した場合のグラフである。グラフIVは変形例2の冷却システムでSiウエハ18を冷却した場合のグラフである。
【0134】
上記グラフI〜IVを比較すると、800°Cに加熱されたSiウエハ18の温度は、従来方式のグラフIでは50分間経過しても約180°Cまでしか下がらず、従来方式のグラフIIでは50分間経過しても約70°Cまでしか下がらないことが分かる。
【0135】
これに対し、変形例1のグラフIIIでは40分間経過すると、Siウエハ18の温度は約40°Cまで下がり、変形例2のグラフIIでは20分間経過すると、約50°Cまで下がることが分かる。
【0136】
従って、この実験結果から、変形例1,2の場合、上記従来方式のものよりも短い時間でSiウエハ18の温度を800°Cから50°Cに冷却することが可能になる。
【0137】
図27は変形例3のシステム系統図である。
図27に示されるように、変形例3の冷却設備60では、上記二重管式冷却システム30に供給される冷却水供給温度をクリーンルームの室温と同じ23°Cに制御しており、この冷却水が送水ポンプP4及び送水ラインL4を介して二重管式冷却システム30の二重冷却水管路38へ供給され、半導体製造装置14の発熱部から熱回収を行なう。
【0138】
このとき、冷却設備60では、二重管式冷却システム30の二重冷却水管路38に供給される冷却水の排出温度が60°C、供給温度との温度差が37°Cとなるように冷却水の流量を制御する。この冷却設備60の場合、二重冷却水管路38に供給される冷却水の流量は、例えば、従来の冷却システム10の場合の54000(L/hr)に対して4260(L/hr)に減少することが分かった。このことにより、送水ポンプP4に必要とされる軸動力は、上記実施例のものよりもさらに削減することが可能となる。
【0139】
さらに、二重冷却水管路38から排出された水は、熱交換器HEXにより60°Cから23°Cに冷却される。その際には、熱交換器HEXでは、従来のような冷水による冷却ではなく、加熱源を必要とする外気処理装置(例えば、冷却棟CT等)の再熱部分または予熱部分(図示せず)、他の生産装置の加温部分(図示せず)にて熱放出することにより、冷却水を23°Cに戻す。
【0140】
この方法を取ることにより、従来の冷却設備28で必要とされていた大型の冷凍機Rや冷水槽CWT、及び5°C系の送水ポンプP2,P3及び送水ラインL2,L3は不要となる。従って、冷却設備60では、上記実施例の冷却設備42よりも設備機器点数の削減ならびに送水ラインの簡素化が実現でき、冷却設備における初期コストおよび運転コストの大幅な削減が可能となり、エネルギー生産性の向上が実現される。
【0141】
また、冷却設備60で消費されるエネルギーは、5.5KWで済み、従来の冷却設備28で消費されるエネルギーが30KWに対して約1/6に削減することが可能になる。
【0142】
尚、上記実施例では、本発明の冷却システムを半導体製造装置14の発熱を冷却する冷却システムに適用した構成を一例として挙げたが、これに限らず、他の製造装置などの発熱部分を冷却するのにも適用できるのは勿論である。
【0143】
【発明の効果】
上述の如く、請求項1記載の発明によれば、ヒータにより加熱される発熱体を収納する収納室と、収納室を囲むように形成された冷却経路とを有し、冷却経路に冷却水を供給して発熱体を冷却するように構成された冷却システムにおいて、冷却経路は、複数の管路が収納室の周囲を囲むように並列に配置された第1の経路と、複数の管路が第1の経路の外周を囲むように並列に配置された第2の経路と、第1の経路と前記第2の経路との間を連通する複数の連通路と、からなるため、冷却水を並列に配置された複数の管路に供給して冷却水による熱回収効率を高めることができる。さらに、熱回収効率を高めることにより、温室効果ガス(CO)の排出量の削減にも貢献できる。
【0144】
請求項2記載の発明によれば、冷却水を乱流となる流速で第1の経路及び第2の経路に供給するため、第1の経路及び第2の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることができる。
【0145】
請求項3記載の発明によれば、冷却水をレイノルズ数が1000以上となる流速で第1の経路及び第2の経路に供給するため、冷却水が乱流状態で第1の経路及び第2の経路に送水され、第1の経路及び第2の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることができる。
【0146】
請求項4記載の発明によれば、冷却水供給部を第1の経路または第2の経路の何れか一方に連通し、冷却水排出部を第1の経路または第2の経路の何れか他方に連通したため、第1の経路及び第2の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることができる。
【0147】
請求項5記載の発明によれば、収納室と第1の経路との間に熱を吸収する熱吸収体を設けたため、収納室で発生した熱を熱吸収体で吸収し、熱吸収体の周囲を冷却することにより熱回収効率を高めることができる。
【0148】
請求項6記載の発明によれば、収納室に熱伝導性の高いガスを充填するガス充填ユニットを備えたため、収納室で発生した熱を熱伝導性の高いガスを介して回収し、熱回収効率を高めることができる。
【0149】
請求項7記載の発明によれば、第1の経路と第2の経路との間に断熱材を介在させたため、第1の経路と第2の経路との間の熱伝導を抑制すると共に、収納室からの熱が周囲に伝導することを防止することができる。
【0150】
請求項8記載の発明によれば、第1の経路が複数の管路の流出側端部を連通する流出側共通管路を備えたため、複数の管路を通過した冷却水を同時に排出して熱回収効率を高めることができる。
【0151】
請求項9記載の発明によれば、第2の経路が複数の管路の流入側端部を連通する流入側共通管路を備えたため、複数の管路に同時に冷却水を供給して熱回収効率を高めることができる。
【0152】
請求項10記載の発明によれば、流出側共通管路から流出された冷却水を熱交換器に供給するため、第1の経路及び第2の経路を通過して温度上昇した冷却水を熱交換器で冷却して第1の経路及び第2の経路に供給することにより熱回収効率を高めることができる。
【0153】
請求項11記載の発明によれば、冷却水を乱流となる流速で流入側共通管路に供給するため、第1の経路及び第2の経路の管内温度分布を均一にして冷却水よる熱回収効率を高めることができる。
【0154】
請求項12記載の発明によれば、複数の管路が所定の間隔で収納室に対向するように平行に配置されたため、収納室の全周を均等に冷却して熱回収効率を高めることができる。
【0155】
請求項13記載の発明によれば、複数の連通路が複数の管路の夫々の端部から分岐するように並列に配置されたため、複数の連通路を介して第1の経路からの冷却水を第2の経路の複数の管路へ供給することにより、収納室の全周を均等に冷却して熱回収効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の冷却システムが取り付けられた半導体製造装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図2】従来の冷却システム10が適用された冷却設備の一例を示す系統図である。
【図3】従来の冷却システム10に用いられた冷却水経路11を示す展開図である。
【図4】冷却水管路11の取付状態を示す斜視図である。
【図5】本発明になる冷却システムの一実施例を示す縦断面図である。
【図6】本発明の二重管式冷却システム30が適用された冷却設備の一例を示す系統図である。
【図7】二重管式冷却システム30に用いられた二重冷却水経路38を示す展開図である。
【図8】二重冷却水管路38の取付状態を示す斜視図である。
【図9】二重管式冷却システム30を上方からみた横断面図である。
【図10】二重冷却水管路38の円周方向の温度分布を示すグラフである。
【図11】従来の冷却システム10を上方からみた横断面図である。
【図12】従来の冷却水管路11の円周方向の温度分布を示すグラフである。
【図13】ヒータ外周に設けられた断熱材からの距離と温度との関係を示すグラフである。
【図14】二重管式冷却システム30の半径方向の構成を簡略化して示す図である。
【図15】従来システムのヒータ外周に設けられた断熱材からの距離と温度との関係を示すグラフである。
【図16】従来の冷却システム10の半径方向の構成を簡略化して示す図である。
【図17】断熱材24と冷却システムとの間に介在する空気層50について半径方向への温度分布の実験結果を示すグラフである。
【図18】二重管式冷却システム30の冷却水量、および炉内設定温度に対する冷却効率を示すグラフである。
【図19】二重管式冷却システム30を用いた場合のヒータ温度と電力との関係を示すグラフである。
【図20】冷却水の流量とレイノルズ数との関係を示すグラフである。
【図21】従来の冷却システム10の熱回収率の冷却水流量との関係を示すグラフである。
【図22】二重管式冷却システム30の冷却水流量に対する冷却熱量、電力及び冷却水温度差の変化を示すグラフである。
【図23】従来の冷却システム10の冷却水流量に対する冷却熱量、電力及び冷却水温度差の変化を示すグラフである。
【図24】冷却システムの変形例1の概略構成を示す図である。
【図25】冷却システムの変形例2の概略構成を示す図である。
【図26】従来の方式及び上記変形例1、2の冷却によるSiウエハ18の温度変化を示すグラフである。
【図27】変形例3のシステム系統図である。
【符号の説明】
12 反応室
14 半導体製造装置
16 ステージ
18 Siウエハ
20 石英ベルジャ
22 棒状ヒータ
24 断熱材
26 昇降ベース
30 二重管式冷却システム
32 内側冷却経路
34 外側冷却経路
36 連通路
38 二重冷却水管路
40 断熱材
42,60 冷却設備
50,54 空気層
52 ブラックボード
56 ヘリウム供給装置
58 ヘリウム層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a cooling system, and more particularly to a cooling system configured to increase cooling efficiency when cooling a heating element heated to a high temperature by supplying cooling water.
[0002]
[Prior art]
As a cooling system for cooling a high-temperature heating element with cooling water, for example, there is a cooling device used in a semiconductor manufacturing apparatus. In this semiconductor manufacturing apparatus, a reaction chamber (storage chamber) surrounded by quartz glass is depressurized, a reaction gas is supplied to the reaction chamber, and the reaction chamber is housed in a high temperature environment (about 800 ° C.) heated by a heater. A thin film is formed on the surface of the subjected Si (silicon) wafer. Therefore, in the semiconductor manufacturing apparatus, since the Si wafer on which the thin film is formed is heated to a high temperature, the Si wafer is cooled and then taken out of the reaction chamber.
[0003]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor manufacturing apparatus to which a conventional cooling system is attached.
As shown in FIG. 1, the conventional cooling system 10 has a cooling water pipe 11 (indicated by a broken line in FIG. 1) formed by bending one copper pipe as described later. The cooling water conduit 11 has an upper part held by an upper holding part 13a formed in a ring shape, and a lower part held by a lower holding part 13b formed in a ring shape.
[0004]
Further, in the cooling system 10, an aluminum cylindrical member 19a having a thickness of 1 mm is provided inside the cooling water pipe 11 adjacent to the Si wafer 18 serving as a heating element, and the outer diameter of the cylindrical member 19a is 3/8 inch. The cooling water pipe 11 is formed of a copper pipe, and the periphery of the cooling water pipe 11 is further surrounded by a cylindrical member 19b made of an aluminum plate having a thickness of 1 mm.
[0005]
The semiconductor manufacturing apparatus 14 to which the cooling system 10 is attached has a configuration using a vertical furnace of a batch processing system, and a plurality of Si wafers 18 are placed on a quartz board 16a of a stage 16 which can be moved up and down in a predetermined manner. The thin film is formed in a state of being stacked at intervals.
[0006]
Further, the semiconductor manufacturing apparatus 14 includes a plurality of bar heaters 22 provided around the reaction chamber 12 by inserting the plurality of Si wafers 18 into the reaction chamber 12 surrounded by the quartz bell jar 20 by raising the stage 16. Heats the reaction chamber 12. In the reaction chamber 12, the pressure is reduced and heated to a high temperature to form a thin film on the surface of the Si wafer 18.
[0007]
Further, the periphery of the quartz bell jar 20 is surrounded by a heat insulating material 24 so that the heat of the reaction chamber 12 is not radiated to the periphery. The cooling water pipe 11 of the cooling system 10 is provided on the outer periphery of the heat insulating material 24.
[0008]
The cooling water pipe 11 is supported by a lifting base 26 on which the quartz bell jar 20 is mounted, and is moved up and down together with the quartz bell jar 20 by an elevator mechanism (not shown).
[0009]
In the cooling system 10, when the thin film forming process in the reaction chamber 12 is completed, the stage 16 is lowered, and the elevating base 26 on which the quartz bell jar 20 and the cooling water pipe 11 are mounted is lowered, and the quartz bell jar 20 and the Si wafer Cool 18 from ambient.
[0010]
In the cooling system 10, water having the same temperature (about 23 ° C.) as the room temperature is supplied to the cooling water pipe 11 to lower the temperature of the Si wafer 18 heated to a high temperature (about 800 ° C.) and to reduce the temperature of the surroundings (clean room). Inside).
[0011]
The cooling water discharged to the outside after passing through the cooling water pipe 11 absorbs the heat of the reaction chamber 12 and the temperature rises to about 27.5 ° C. and is discharged to the outside. Then, the cooling water discharged from the cooling water pipe 11 is cooled to about 23 ° C. by a heat exchanger (not shown) installed outside and returned to the cooling water pipe 11 again.
[0012]
Here, an example of a cooling facility to which the conventional cooling system 10 is applied will be described with reference to FIG.
[0013]
As shown in FIG. 2, the conventional cooling equipment 28 has a configuration in which a large-sized refrigerator R is provided in a cooling path on the primary side. The refrigerator R is a facility that recovers and cools the heat load from all the heat generating parts in the factory using water as a medium. For example, when the refrigerator R is a centrifugal refrigerator using electricity as energy, the refrigerator R has a capability of cooling cold water at 10 ° C. to cold water at 5 ° C.
[0014]
The heat recovered by the refrigerator R is transmitted to the cooling water, and the cooling water is supplied to the cooling building CT by the water supply pump P1 and the water supply line L1 to be released outside. The cold water of 5 ° C. produced by the refrigerator R is stored in the cold water tank CWT on the primary side. And the cooling water of the cold water tank CWT is supplied to the primary side of the heat exchanger HEX via the water supply pump P3 and the water supply line L3.
[0015]
The secondary side of the heat exchanger HEX is connected to a cooling water supply line 29 that supplies cooling water to the cooling water pipe 11 and other heat generating parts. Therefore, the heat recovered through the cooling water pipe 11 and the like is transmitted to the cooling water on the primary side through the heat exchanger HEX.
[0016]
The 5 ° C. cold water supplied from the cold water tank CWT becomes water whose temperature has been raised to 10 ° C. in the heat exchanger HEX, returned to the cold water tank CWT, and sent to the refrigerator R via the water pump P2 and the water line L2. Returned and cooled to 5 ° C cold water. The cooling water on the secondary side supplied to the cooling water pipe 11 is cooled to water at 23 ° C. by the heat exchanger HEX, and is cooled by the water pump P4 and the water line L4. And other heating elements.
[0017]
In the cooling system 10, the cooling water that has recovered heat from the Si wafer 18 that is the heating element and has become high temperature (for example, 27.5 ° C.) is stored in the secondary-side buffer tank Bu. The water is supplied from the buffer tank Bu to the secondary side of the heat exchanger HEX by the water supply line L4, and becomes cooling water at 23 ° C.
[0018]
As described above, in the conventional cooling equipment 28, a number of equipments requiring energy, such as the refrigerator R and the water supply pumps P1 to P4, are installed, and a large number of cooling water supply paths are required. Costs and operating costs were enormous.
[0019]
FIG. 3 is a developed view showing a cooling water path 11 used in the conventional cooling system 10.
As shown in FIG. 3, the cooling water pipeline 11 of the conventional cooling system 10 is formed by bending a single copper pipe, and communicates a plurality of straight pipes 11a with ends of adjacent straight pipes 11a. And the bent portions 11b are formed alternately. In the cooling water pipe 11, one end of the cooling water pipe 11 is an inlet 11c of the cooling water, and the other end of the cooling water pipe 11 is an outlet 11d of the cooling water. Therefore, the cooling water supplied from the inflow port 11c passes through the plurality of straight pipes 11a and the bent portions 11b, and is then discharged to the outside from the outflow port 11d.
[0020]
FIG. 4 is a perspective view showing an attached state of the cooling water pipe 11.
As shown in FIG. 4, the cooling water pipe 11 is formed in an annular shape so as to surround the outer periphery of the quartz bell jar 20 from the developed state as described above. Therefore, the cooling system 10 is configured to cool the cooling water by flowing around the heating element upward, downward, and upward, and orbiting the periphery.
[0021]
In the conventional cooling system 10 configured to circulate the cooling water as described above, it is necessary to supply a large amount of cooling water in order to process a huge amount of heat generated from the semiconductor manufacturing apparatus 14. Further, the temperature difference between the cooling water introduction temperature and the discharge temperature at that time was, for example, about 4.5 ° C.
[0022]
In the conventional cooling system 10 configured as described above, since the cooling water pipe 11 is formed of one copper pipe from the inlet to the outlet of the cooling water, the pipe resistance to the cooling water increases, The load on the pump increases. Further, the temperature distribution in the cooling system 10 has a large variation, and there is a possibility that the thermal effect on the Si wafer 18 which is the heating element (cooled object) may vary.
[0023]
Therefore, in the conventional cooling system 10, enormous energy is consumed as power for driving the water supply pump that conveys the cooling water, and the discharged cooling water is used as a load of the cooling equipment provided in the heat exchanger. Only worked. For this reason, the conventional cooling system 10 has a problem that the cooling equipment is enlarged and energy consumption is increased.
[0024]
In order to solve such a problem, the present applicant has previously proposed a cooling system called a double-pipe cooling system in which a cooling pipe is arranged concentrically with an inner cooling path and an outer cooling path (for example, And Patent Document 1).
[0025]
[Patent Document 1]
PCT International Publication Number WO / 01/03168 A1 (refer to FIG. 6)
[0026]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the double-pipe cooling system as described above, the cooling water is supplied to the outer cooling path, and the cooling water that has passed through the outer cooling path is supplied to the inner cooling path, thereby increasing the cooling efficiency (heat recovery efficiency). Although it was configured to increase the cooling water, there was a possibility that sufficient cooling efficiency could not be obtained because the relationship between the cooling water supply speed and the thermal conductivity and the relationship between the water supply speed and the cooling efficiency were insufficient. .
[0027]
In Japan, greenhouse gases (CO 2) have been promoted in order to promote the control of global warming. 2 ) Is required to reduce the amount of emissions, and how to reduce energy consumption in each industry is being sought.
[0028]
In the industrial field of semiconductor manufacturing equipment, increasing the efficiency of heat recovery in a clean room in which semiconductor manufacturing equipment is installed increases greenhouse gas (CO2) emissions. 2 ) Is thought to contribute to the reduction of emissions.
[0029]
Therefore, when the energy (electric power) consumed in the clean room was simulated, the electric power consumed by the semiconductor manufacturing apparatus was larger than that of an air conditioner that controlled the temperature to keep the temperature in the clean room constant. It was found that the energy consumption required for cooling the cooling water for removing the heat after heating and for circulating the cooling water was large.
[0030]
That is, in the cooling system that circulates the cooling water, the consumption of electric energy is suppressed and the greenhouse gas (CO 2 2 It is important to increase the efficiency of heat recovery by cooling water in order to contribute to the reduction of emissions in (1).
[0031]
Therefore, an object of the present invention is to provide a cooling system that solves the above problems.
[0032]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has the following features to solve the above problems.
The invention according to claim 1 has a storage chamber for storing a heating element heated by a heater, and a cooling path formed so as to surround the storage chamber, and supplies cooling water to the cooling path to generate the heating element. In the cooling system configured to cool the first path, the cooling path includes a first path in which a plurality of pipes are arranged in parallel so as to surround the storage chamber, and a plurality of pipes in the first path. A second path arranged in parallel so as to surround the outer periphery; and a plurality of communication paths communicating between the first path and the second path, wherein the cooling water is arranged in parallel. It is possible to increase the heat recovery efficiency of the cooling water by supplying the cooling water to the plurality of pipelines.
[0033]
According to a second aspect of the present invention, the cooling water is supplied to the first path and the second path at a turbulent flow velocity, and the temperature distribution in the pipes of the first path and the second path is made uniform. It is possible to increase the efficiency of heat recovery by the cooling water.
[0034]
According to a third aspect of the present invention, the cooling water is supplied to the first path and the second path at a flow rate at which the Reynolds number is 1000 or more, and the cooling water is supplied to the first path and the second path in a turbulent state. And the temperature distribution in the pipes of the first path and the second path is made uniform, so that the efficiency of heat recovery by the cooling water can be increased.
[0035]
According to a fourth aspect of the present invention, the cooling water supply unit communicates with one of the first path and the second path, and the cooling water discharge unit communicates with the other of the first path and the second path. Therefore, it is possible to make the temperature distribution in the pipes of the first path and the second path uniform and to enhance the heat recovery efficiency by the cooling water.
[0036]
According to a fifth aspect of the present invention, a heat absorber for absorbing heat is provided between the storage chamber and the first path, and the heat generated in the storage chamber is absorbed by the heat absorber. By cooling the surroundings, the heat recovery efficiency can be increased.
[0037]
The invention according to claim 6 is provided with a gas filling unit for filling the storage chamber with a gas having a high thermal conductivity, and recovering heat generated in the storage chamber through the gas having a high thermal conductivity, It is possible to increase the collection efficiency.
[0038]
According to a seventh aspect of the present invention, a heat insulating material is interposed between the first path and the second path to suppress heat conduction between the first path and the second path. , To prevent heat from the storage chamber from conducting to the surroundings.
[0039]
The invention according to claim 8 is characterized in that the first path is provided with an outflow-side common pipe that communicates the outflow-side ends of the plurality of pipes, and the cooling water that has passed through the plurality of pipes is simultaneously discharged. As a result, the heat recovery efficiency can be improved.
[0040]
According to a ninth aspect of the present invention, the second path is provided with an inflow-side common pipe that communicates the inflow-side ends of the plurality of pipes. It is possible to increase the collection efficiency.
[0041]
According to a tenth aspect of the present invention, the cooling water discharged from the outflow-side common pipe is supplied to the heat exchanger, and the cooling water, which has passed through the first path and the second path and has been heated, is heated. The heat recovery efficiency can be increased by cooling in the exchanger and supplying it to the first path and the second path.
[0042]
According to an eleventh aspect of the present invention, the cooling water is supplied to the inflow-side common pipe at a flow rate which becomes turbulent, and the temperature distribution in the pipes of the first path and the second path is made uniform so that the heat generated by the cooling water is supplied. It is possible to increase the collection efficiency.
[0043]
According to a twelfth aspect of the present invention, the plurality of conduits are arranged in parallel so as to face the storage chamber at predetermined intervals, and the entire circumference of the storage chamber is uniformly cooled to enhance heat recovery efficiency. Becomes possible.
[0044]
According to a thirteenth aspect of the present invention, the plurality of communication paths are arranged in parallel so as to branch off from respective ends of the plurality of conduits, and the cooling from the first path via the plurality of communication paths. By supplying water to the plurality of conduits in the second path, it is possible to uniformly cool the entire circumference of the storage chamber and increase the heat recovery efficiency.
[0045]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing one embodiment of the cooling system according to the present invention.
[0046]
As shown in FIG. 5, in the double-tube cooling system 30 of the present invention, an inner cooling path (first path) 32 in which a plurality of pipes are arranged in parallel so as to surround the periphery of the reaction chamber 12, and An outer cooling path (second path) 34 in which a plurality of pipelines are arranged in parallel so as to surround the outer periphery of the inner cooling path 32, and a plurality of communicating paths between the inner cooling path 32 and the outer cooling path 34. And a communication passage 36 (indicated by a broken line in FIG. 5).
[0047]
In the double-tube cooling system 30, an aluminum cylindrical member 19a is provided at a position close to the Si wafer 18 which is a heating element, an inner cooling path 32 is provided on the outer side in the circumferential direction of the cylindrical member 19a, and a heat insulating material is provided. An outer cooling path 34 is provided through 40.
[0048]
As described later, the double cooling water pipe 38 is configured to supply cooling water to a plurality of pipes arranged in parallel to cool the quartz bell jar 20 and the Si wafer 18 from the entire circumference. Heat recovery efficiency can be increased.
[0049]
The inner cooling passage 32 and the outer cooling passage 34 are held by an upper holding portion 13a having an upper portion formed in a ring shape, and a lower portion is held by a lower holding portion 13b having a ring shape.
[0050]
Further, a heat insulating material 40 is interposed between the inner cooling path 32 and the outer cooling path 34. The cooling water supplied to the outer cooling path 34 is supplied after being cooled to the same temperature as the room temperature of the clean room so that the temperature of the clean room does not change. The heat insulating material 40 blocks heat. Therefore, the heat of the inner cooling path 32 is blocked by the heat insulating material 40 and is not conducted to the outer cooling path 34.
[0051]
Here, an example of cooling equipment to which the double-tube cooling system 30 of the present invention is applied will be described with reference to FIG.
[0052]
In the cooling system 42 shown in FIG. 6, the cooling water supply temperature supplied to the double-tube cooling system 30 is controlled to 23 ° C. which is the same as the room temperature of the clean room, and this cooling water is supplied by the water supply pump P4 and the water supply line. It is supplied to the double cooling water pipe 38 of the double pipe cooling system 30 via L4, and recovers heat from the heat generating portion of the semiconductor manufacturing apparatus 14.
[0053]
At this time, in the double pipe cooling system 30 using the double cooling water pipe 38, the cooling water amount is controlled so that the discharge temperature of the cooling water becomes 50 ° C. or more and the temperature difference becomes 30 ° C. or more. It has been found that the flow rate of the cooling water supplied to the double cooling water pipe 38 is reduced to 8100 (L / hr), for example, from 54000 (L / hr) in the case of the conventional cooling system 10. As a result, the shaft power required for the water pump P4 can be reduced to about 1/6 of the conventional one.
[0054]
Further, the water discharged from the double cooling water pipe 38 is cooled from 50 ° C. or more to 23 ° C. by the heat exchanger HEX. At that time, in the heat exchanger HEX, a reheating portion or a preheating portion (not shown) of an outside air treatment device (for example, a cooling building CT or the like) requiring a heating source is used instead of the conventional cooling with cold water. The cooling water is returned to 23 ° C. by releasing heat at a heating portion (not shown) of another production apparatus.
[0055]
By adopting this method, the large-sized refrigerator R, the water pumps P2 and P3 and the water lines L2 and L3 of the 5 ° C. system, which are conventionally required, become unnecessary, and the number of equipment and the number of equipment and the water line are simplified. Therefore, the initial cost and operating cost of the cooling equipment can be significantly reduced, and the energy productivity can be improved.
[0056]
Further, the energy consumed by the cooling facility 42 is only 5.5 KW, and the energy consumed by the conventional cooling facility 28 can be reduced to about 1/6 of 30 KW.
[0057]
As a result, in the double-tube cooling system 30, the heat recovery efficiency in the clean room where the semiconductor manufacturing apparatus 14 is installed can be increased, and the greenhouse gas (CO 2) 2 ) Can also be reduced.
[0058]
Here, the configuration of the double cooling water pipe 38 will be described.
FIG. 7 is a developed view showing a double cooling water path 38 used in the double-pipe cooling system 30.
As shown in FIG. 7, the double cooling water pipe 38 of the double pipe cooling system 30 is divided into an inner cooling path 32 and an outer cooling path 34, and the inner cooling path 32 and the outer cooling path 34 Are communicated by a plurality of communication pipes 36.
[0059]
The outer cooling path 34 includes a plurality of straight pipes 34a arranged to extend in the vertical direction, and an inflow-side common pipe formed to extend in the circumferential direction so that the upper ends of the plurality of straight pipes 34a communicate with each other. And a road 34b. One end of the inflow-side common pipe 34b is a cooling water supply port, and the other end is connected in parallel with the plurality of straight pipes 34a.
[0060]
The plurality of straight pipes 34a are respectively arranged in parallel at regular intervals B. The cooling water supplied to the plurality of straight pipes 34a via the inflow-side common pipe 34b flows from above to below at a flow rate higher than a predetermined flow rate so as to flow in a turbulent manner as described later.
[0061]
The lower ends of the plurality of straight pipes 34a are connected to two communicating pipes 36 branched in a forked shape. Since the communication pipe 36 is curved in a U-shape when viewed from the side, resistance in the pipe increases, but by branching into two communication pipes 36, pressure loss of the cooling water is reduced.
[0062]
The inner cooling path 32 includes a plurality of straight pipes 32a arranged so as to extend in the vertical direction, and an outflow side common pipe formed so as to extend in the circumferential direction so that upper ends of the plurality of straight pipes 32a communicate with each other. Road 32b. One end of the outflow-side common conduit 32b is a cooling water discharge port, and the other end is connected in parallel with the plurality of straight pipes 32a.
[0063]
The lower ends of the plurality of straight pipes 32 a of the inner cooling path 32 are respectively connected to two communication pipes 36. In the present embodiment, for example, an aluminum pipe having an outer diameter of 10 mm and an inner diameter of 8 mm is used for the inner cooling path 32 and the outer cooling path 34.
[0064]
FIG. 8 is a perspective view showing an attached state of the double cooling water pipe 38.
As shown in FIG. 8, the cooling water pipe 36 is formed such that the inner cooling path 32 forms the inner layer and the outer cooling path 34 forms the outer layer from the state where the inner cooling path 32 and the outer cooling path 34 are developed as described above. , And the communication pipe 36 is curved. Further, the inner cooling path 32 and the outer cooling path 34 are formed in an annular shape so as to surround the outer periphery of the quartz bell jar 20.
[0065]
Therefore, in the double-pipe cooling system 30 of the present invention, first, in order to eliminate the convection phenomenon in the air layer and reduce the heat leakage outside the system, the double cooling water pipe 38 is also provided at the upper end of the system. Heat recovery becomes possible.
[0066]
Further, in the double-pipe cooling system 30, a heat insulating material 40 is provided between the inner cooling path 32 and the outer cooling path 34 of the double-cooling water pipe 38 to raise the temperature of the inner surface of the double-pipe cooling system 30. As a result, heat recovery efficiency can be improved, and heat release from the outer surface of the double-tube cooling system 30 can be reduced.
[0067]
Here, the heat recovery efficiency of the double-tube cooling system 30 configured as described above will be described.
[0068]
Regarding the flow of the cooling water in the double-tube cooling system 30, cooling water equivalent to room temperature always flows to the double cooling water pipe 38 regardless of the introduced water and the discharged water. This is to reduce heat release from the double-tube cooling system 30 to the clean room atmosphere.
[0069]
In the conventional cooling system 10 described above, a large amount of cooling water for processing an enormous amount of heat is supplied to the cooling water pipe 11. Further, the temperature difference between the cooling water introduction temperature and the discharge temperature at that time was as extremely small as 4.5 ° C., for example.
[0070]
Therefore, enormous amount of electric energy is consumed as power consumed by the water pump for transporting the cooling water, and the discharged cooling water works only as a load of cooling equipment such as the refrigerator R.
[0071]
As a result, the cooling equipment has become larger, resulting in an increase in energy consumption.
For this reason, in this research, in addition to the improvement of the system, the operation method is also examined. As shown by the following equation, when the heat load amounts are equal, an inversely proportional relationship holds between the cooling water and the temperature difference between the introduction temperature and the discharge temperature.
[0072]
q = Vρw · cw · (To-Ti)
= Vρw · cw · △ T (1)
Here, q: cooling calorie (Kcal / min), V: cooling water flow rate (L / min), ρ o : Cooling water density (kg / L), cw: specific heat of cooling water (Kcal / kg ° C), To: cooling water discharge temperature (° C), Ti: cooling water introduction temperature (° C).
[0073]
From the above equation (1), it can be seen that the temperature difference can be increased by reducing the amount of cooling water.
[0074]
In the present embodiment, the temperature of the waste water discharged from the double cooling water pipe 38 is raised to a high temperature, so that water having a high potential in temperature is returned to the equipment side. The discharged hot water is reused as heating energy at another place in the factory. As a result, it is possible to reduce the power for supplying the cooling water, reduce the load on the refrigerator equipment, and reduce the size of the cooling equipment. Here, the temperature distribution in the circumferential direction of the double cooling water pipe 38 will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
[0075]
FIG. 9 is a cross-sectional view of the double-tube cooling system 30 as viewed from above. FIG. 10 is a graph showing the temperature distribution in the circumferential direction of the double cooling water pipe 38. The experimental results shown in FIG. 10 were obtained under the conditions where the furnace temperature was 800 ° C. and the flow rate of the cooling water was 5 L / min.
[0076]
The inner cooling path 32 and the outer cooling path 34 of the double cooling water pipe 38 are arranged in parallel in the circumferential direction as shown in FIG. 9 because a plurality of straight pipes 32a and 34a are provided in parallel at equal pitch intervals. , To supply the cooling water evenly over the entire circumference.
[0077]
Therefore, as shown in FIG. 10, in the circumferential temperature distribution where the cooling water introduction portion of the double cooling water pipe 38 is 0 °, there is no large temperature change over the entire circumference, and about 360 ° at any angle. It can be seen that the distribution stays within the range of ° C to 370 ° C.
[0078]
Here, the circumferential temperature distribution of the conventional cooling system will be described with reference to FIGS.
[0079]
FIG. 11 is a cross-sectional view of the conventional cooling system 10 as viewed from above. FIG. 12 is a graph showing a circumferential temperature distribution of the conventional cooling water pipe 11. The experimental results shown in FIG. 12 were obtained under the conditions that the furnace temperature was 800 ° C. and the flow rate of the cooling water was 5 L / min, as in the case of the present embodiment.
[0080]
As shown in FIGS. 11 and 12, in the conventional cooling system 10, when the cooling water introduction part is set to 0 (base point), the temperature decreases clockwise around an angle of 180 ° (about 225 ° C to 175 ° C). ). Further, it can be seen that the temperature rises clockwise from around 180 ° to around 360 ° (from about 175 ° C to 250 ° C).
[0081]
From this experimental result, the temperature difference between the maximum temperature part and the minimum temperature part in the circumferential direction of the conventional cooling system 10 is about 75 ° C. The temperature distribution of this experimental result is affected by the structure of the cooling system 10 and the method of introducing the cooling water. That is, it is considered that the temperature rise until the cooling water is introduced into and discharged from the cooling system 10 has caused such variation in the temperature distribution in the circumferential direction.
[0082]
This corresponds to the fact that uniform cooling is not performed on the Si wafer 18 as the heating element. As a result, there is also a concern about temperature effects due to variations in the temperature distribution on the Si wafer 18 after the formation of the thin film.
[0083]
On the other hand, in the double-tube cooling system 30 of the present invention, the variation in the temperature distribution in the circumferential direction is small, and the Si wafer 18 can be cooled uniformly over the entire circumference, as compared with the conventional one. It is. The reason why the temperature distribution by the double-tube cooling system 30 is good is that the cooling water is supplied in parallel from the plurality of parallel pipes to the circumference of the Si wafer 18 and that the inner cooling path 32 This is considered to be due to the influence of the heat insulating material 40 interposed between the outer cooling path 34 and the outer cooling path 34.
[0084]
That is, in the double-tube cooling system 30, the Si wafer 18 is uniformly cooled over the entire circumference, and thus the temperature effect on the Si wafer 18 after the thin film is formed is also uniform. Therefore, according to the double-pipe cooling system 30, the load on the air conditioning equipment for controlling the temperature to keep the temperature in the clean room constant is reduced, and the greenhouse gas (CO 2) 2 ) Can also be reduced.
[0085]
Here, the temperature distribution in the radial direction of the double cooling water pipe 38 will be described with reference to FIGS. 13 and 14.
[0086]
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the distance from the heat insulating material provided on the outer periphery of the heater and the temperature. FIG. 14 is a diagram showing a simplified configuration of the double-tube cooling system 30 in the radial direction. The experimental results shown in FIG. 13 show that the temperature inside the furnace was set to 800 ° C. and the flow rate of the cooling water was set to 0.5 to 7 L / min. Is shown. In FIG. 14, the horizontal axis represents the distance in the radial direction with the inner surface of the heat insulating material 24 at the outer periphery of the heater being 0 (base point).
[0087]
As shown in FIGS. 13 and 14, regardless of the difference in the flow rate of the cooling water, the inner surface temperature of the heat insulating material 24 near the heater 22 reaches approximately 920 ° C., and the outer surface temperature of the heat insulating material 24 is , About 400 ° C. Further, the inner surface temperature of the double-pipe cooling system 30 becomes about 360 ° C., and the outer surface temperature of the double-pipe cooling system 30 drops to about 60 ° C.
[0088]
Here, the temperature distribution (temperature gradient) in the radial direction of the conventional cooling system 10 will be described with reference to FIGS.
[0089]
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the distance from a heat insulating material provided on the outer periphery of the heater and the temperature in the conventional system. FIG. 16 is a diagram showing a simplified configuration of the conventional cooling system 10 in the radial direction. In FIG. 15, the furnace temperature was set to 800 ° C. and the flow rate of the cooling water was set to O. 4 shows the change in the radial temperature of the conventional cooling system when the flow rate is 5 to 7 L / min. In FIG. 15, the horizontal axis indicates the distance in the radial direction with the inner surface of the heat insulating material 24 facing the outer periphery of the heater being 0 (base point).
[0090]
As shown in FIGS. 15 and 16, regardless of the difference in the flow rate of the cooling water, the inner surface temperature of the heat insulating material 24 reaches about 900 ° C., and the outer surface temperature of the heat insulating material 24 becomes 420 ° C. descend. Further, the inner surface temperature of the cooling system 10 becomes approximately 240 ° C., and the outer surface temperature of the cooling system 10 decreases to approximately 80 ° C.
[0091]
Comparing the experimental results of the present invention shown in FIG. 13 with the experimental results of the conventional system shown in FIG. 15, first, the cooling system outer surface temperature is 60 ° C. compared to the conventional 80 ° C. It was confirmed that the temperature could be lowered by 20 ° C., and the heat release from the outer surface of the cooling system to the clean room could be reduced.
[0092]
Furthermore, the internal temperature of the system is raised from the conventional 240 ° C. to 360 ° C. as in the present invention, so that most of the heat release from the furnace is received on the inner surface of the double-tube cooling system 30, Heat can be recovered by circulating the cooling water, and the heat recovery efficiency described later can be improved.
[0093]
Here, the reason why the heat recovery efficiency of the conventional cooling system 10 is extremely low as 20% to 30% is that the outer surface temperature of the heat insulating material 24 (about 420 ° C) is changed from the inner surface temperature of the cooling system 10 (about 240 ° C). It is conceivable that heat is not efficiently transferred to the cooling system side due to the rapid temperature drop to ()).
[0094]
Further, since the outer surface temperature of the conventional cooling system 10 is about 80 ° C., the heat received on the inner surface of the cooling system 10 is not efficiently transmitted to the cooling water, and the air is transferred from the outer surface of the cooling system 10 to the air. Since the heat is released to the clean room via the layer 50, the heat recovery efficiency is considered to be 20% to 30%.
[0095]
FIG. 17 is a graph showing an experimental result of a temperature distribution in a radial direction of the air layer 50 interposed between the heat insulating material 24 and the cooling system. In FIG. 17, the horizontal axis represents the distance in the radial direction with the outer surface of the heat insulating material 24 being 0 (base point).
[0096]
As shown in FIG. 17, it was found that the air layer 50 was composed of two layers, a high-temperature layer and a low-temperature layer, with a boundary of 5 mm from the outer surface of the heat insulating material 24. From the result of the temperature distribution, it is inferred that a thermal convection phenomenon occurs in the air layer 50.
[0097]
In addition, on the surface of the heat insulating material 24, the heat released to the air layer 50 temporarily moves upward according to the heat convection without being directly transmitted to the cooling system 10, and is cooled at a low temperature portion above the cooling system. The heat at this time is released to the outside of the cooling system 10, and it is considered that a phenomenon occurs in which the cooled air descends along the surface of the cooling system 10.
[0098]
Therefore, it is presumed that the inner surface temperature of the cooling system 10 via the air layer 50 was 240 ° C. (see FIG. 15), and the heat recovery efficiency was limited to 20 to 30%.
[0099]
Here, the heat recovery efficiency of the double-tube cooling system 30 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 21 shows the relationship between the heat recovery rate of the conventional cooling system 10 and the flow rate of the cooling water.
[0100]
FIG. 18 is a graph showing the cooling water amount of the double-tube cooling system 30 and the cooling efficiency with respect to the set temperature in the furnace. In FIG. 18, the ratio of the amount of recovered heat to the electric energy supplied to the heater 22 is represented as the cooling efficiency.
[0101]
As shown in FIG. 21, the heat recovery efficiency of the conventional cooling system 10 is about 20%. On the other hand, as shown in FIG. 18, it was confirmed that the double-tube cooling system 30 has a high heat recovery efficiency of 70 to 75% in a region where the flow rate of the cooling water is about 2 to 7 L / min. Was.
[0102]
That is, by changing to the double-tube cooling system 30, the heat recovery efficiency can be improved to about three times the conventional value.
[0103]
As shown in FIG. 19, at this time, regardless of the flow rate of the cooling water supplied to the double-tube cooling system 30, the electric energy consumed in the furnace body did not increase. This means that the heat that could not be recovered by the conventional cooling system 10 and was released to the outside through the air layer 50 or that was recovered by the other cooling system in an auxiliary manner was converted into a single double pipe type. It has become possible to collect the liquid in the cooling system 30.
[0104]
In addition, according to the double-tube cooling system 30, even if the flow rate of the cooling water is reduced to 2 L / min, the heat recovery efficiency can be maintained at about 70%. It is possible to reduce the flow rate of water. This is considered to be because the heat convection in the air layer 50 inside the double-pipe cooling system 30 was suppressed.
[0105]
However, as shown in FIG. 18, it was also confirmed that in a region where the flow rate of the cooling water was 2 L / min or less, a sharp decrease in the cooling efficiency occurred. Signs that this phenomenon occurs even in the region where the flow rate of the cooling water is 1 L / min or less in the conventional cooling system 10 can be confirmed from the graph of FIG.
[0106]
The decrease in the heat recovery efficiency in the low flow rate region can be explained by the Reynolds number Re. The Reynolds number is expressed by the fluid density ρ (kgm 3 ), The fluid flow velocity v (m / sec), the pipe diameter d (m) of the flow path, the fluid viscosity μ (Pa · sec), or the fluid flow velocity v (m / sec) as in equation (3). sec), the pipe diameter d (m) of the flow path, and the kinematic viscosity v (m 2 / Sec).
[0107]
Re = ρvd / μ (2)
= Vd / v (3)
The magnitude of the Reynolds number makes it possible to determine whether the fluid (cooling water in the present embodiment) is turbulent or laminar. The Reynolds number at which the fluid transitions from a turbulent flow to a laminar flow is called a critical Reynolds number. When the Reynolds number is below a critical value, the fluid becomes laminar, and when it exceeds, it becomes turbulent. It is known that the value when the fluid flows horizontally is about 2000.
[0108]
At this time, when the fluid is exposed to heat, its thermal conductivity greatly differs depending on whether the fluid is turbulent or laminar. That is, the thermal conductivity of the double-tube cooling system 30 is governed by the Reynolds number. For example, in the case of a flow in the horizontal direction, the thermal conductivity increases when Re = 2000 or more, that is, turbulent flow, and decreases when Re = 2000 or less, that is, laminar flow.
[0109]
The transition from the turbulent flow to the laminar flow differs depending on whether the flow of the fluid is an upward flow or a downward flow. In the case of an upward flow, the critical Reynolds number tends to decrease due to the flow of the cooling water itself and the upward flow due to thermal convection. In the case of a downward flow, the opposite phenomenon occurs.
[0110]
In the conventional cooling system 10, the flow of the cooling water alternates between the upward flow and the downward flow, so that the change in the Reynolds number due to the cooling water flowing through the cooling water pipeline 11 (see FIG. 3) is mutually canceled. As in the case of the horizontal flow, the critical Reynolds number exists near 2000.
[0111]
On the other hand, in the case of the double cooling water pipe 38 of the present invention, since the portion where heat is mainly recovered is the upward flow area where the cooling water flows through the plurality of straight pipes 32a of the inner cooling path 32, the critical Reynolds number becomes smaller. It shows a tendency, and Re = around 1000. The flow rate of the cooling water corresponding to the critical Reynolds number is 1 L / min in the conventional method, and 2 L / min in the double-tube cooling system 30 of the present invention.
[0112]
For the above reasons, the double-tube cooling system 30 of the present invention can secure three times the heat recovery efficiency of the conventional system while reducing the flow rate of the cooling water to 2 L / min.
[0113]
Further, at the time of low flow rate operation in the double-pipe cooling system 30, the flow path control by the cooling water pipe line 11 and the water supply pump P4 such that the Reynolds number of the cooling water becomes Re = 1000 or more in the case of the upward flow. Need to be done.
[0114]
Here, optimization of the inner diameter of the cooling water pipe 11 used in the double-pipe cooling system 30 and the fluid flow velocity will be described.
[0115]
First, as a precondition, in the double-pipe cooling system 30, the temperature of the discharged water is 80 ° C. or more, and the heat recovery efficiency is 70%, which is the same as at 4 to 7 L / min. Determine the flow rate. When the temperature inside the furnace was maintained at 800 ° C., the power consumed by the heater 22 was 6 kW (see FIG. 19). .2 kW.
[0116]
When the cooling water at 25 ° C. is supplied to the double-tube cooling system 30 and the cooling water at 80 ° C. or more is discharged from the double-tube cooling system 30, the temperature difference Δt of the cooling water is 55 ° C or higher. The flow rate of the cooling water at that time is calculated to be about 1 L / min as described above.
[0117]
This is the minimum flow rate for maintaining the heat recovery efficiency of 70% or more in this embodiment. Therefore, when supplying 1.0 L / min of cooling water, the pipe diameter of the double-pipe cooling system 30 can be obtained as follows.
[0118]
As a method of calculating the pipe diameter of the double-pipe cooling system 30, the pipe diameter d is obtained by using the above-described equation (3) and on condition that the Reynolds number is Re = 1000 or more (turbulent flow). . When the cooling water flows in a turbulent flow, heat conduction from the inner surface of the double cooling water pipe 38 to the cooling water is performed more efficiently than in the laminar flow state.
[0119]
As a result, the pipe diameter (inner diameter) becomes 7.1 mm or less. By setting the flow rate of the cooling water at that time to be 0.05 m / sec or more, it is possible to further reduce the flow rate of the cooling water and recover high heat.
[0120]
Here, a calculation example for obtaining the minimum flow rate and the pipe diameter (inner diameter) as described above will be exemplified.
[0121]
When supplying 1.0 L / min of cooling water to the cooling system 30 of the present embodiment and calculating a flow path pipe diameter for obtaining a heat recovery efficiency of 70% or more, it is obtained using the following formula. .
[0122]
Re = vd / v ≧ 1000 (4)
v = Q / S / 60
= Q / {(d / 2) 2 π × 8} / 60 (5)
Re = [Q / {(d / 2) 2 πx8} / 60] d / v
≧ 1000 (6)
Q = 1.0 (L / min) (7)
ν = 3.65xlO -7 (M 2 / Sec)… (8)
In the above equation, Re is the Reynolds number, v is the flow rate of the cooling water (m / sec), Q is the flow rate (L / min), and S is the cross-sectional area of the flow path (m 2 ), Ν is the kinematic viscosity of the cooling water (m 2 / Sec).
[0123]
From the calculation result of the above equation, in order to secure the heat recovery efficiency of 70% or more by setting the flow rate of the cooling water to Q = 1.0 (L / min), the pipe diameter (inner diameter) is d ≧ 7.1 (mm). , The minimum flow rate is v ≧ O. 05 (m / sec).
[0124]
FIG. 22 is a graph showing changes in cooling heat amount, electric power, and cooling water temperature difference with respect to the cooling water flow rate of the double-tube cooling system 30. FIG. 23 is a graph showing changes in cooling heat amount, electric power, and cooling water temperature difference with respect to the cooling water flow rate of the conventional cooling system 10.
[0125]
As shown in FIG. 22, in the double-pipe cooling system 30, the power is constant at approximately 6 KW regardless of the cooling water flow rate. Further, it can be seen that when the cooling water flow rate is reduced to 1.0 (L / min), the cooling water temperature difference ΔT increases to the maximum value of about 40 ° C., and the heat recovery efficiency increases.
[0126]
On the other hand, in the conventional cooling system 10, as shown in FIG. 23, the electric power is substantially constant at 6 KW regardless of the flow rate of the cooling water as in the present embodiment. Further, in the conventional cooling system 10, even if the flow rate of the cooling water is controlled to 1.0 (L / min), the cooling water temperature difference ΔT is only about 15 ° C., and the heat recovery is smaller than that of the present embodiment. It can be seen that the efficiency is low.
[0127]
Here, a modified example will be described.
FIG. 24 is a diagram illustrating a schematic configuration of Modification Example 1 of the cooling system.
As shown in FIG. 24, in the first modification, a black board (heat absorber) 52 having a high heat absorption rate is provided inside the double-tube cooling system 30. The black board 52 is formed in a cylindrical shape, and is provided so as to surround the outer periphery of the plurality of Si wafers 18 heated by the heater 22.
[0128]
The surface of the black board 52 is blackened in order to increase the heat absorption efficiency. Then, the stage 16 on which the plurality of Si wafers 18 are placed falls below the heater 22 and the elevating base 26 descends, so that the double-tube cooling system 30 and the black board 52 move the plurality of Si wafers 18 Descends to a position facing the outer periphery of.
[0129]
In this lowered state, the heat of the plurality of Si wafers 18 radiates to the inner surface of the black board 52 via the air layer 54, and the surface temperature of the black board 52 rises. The heat of the black board 52 is conducted and recovered by the cooling water flowing through the inner cooling path 32 of the double-pipe cooling system 30.
[0130]
As described above, by disposing the black board 52 having high heat absorption efficiency around the Si wafer 18 as the heating element, the heat recovery efficiency in the double-tube cooling system 30 can be further increased.
[0131]
FIG. 25 is a diagram showing a schematic configuration of Modification 2 of the cooling system.
As shown in FIG. 25, in the second modification, a black board 52 having a high heat absorption rate is provided inside the double-tube cooling system 30, and helium (He) supplied from the helium supply device 56 is supplied to the black board 52. To form a helium layer 58. Therefore, the plurality of Si wafers 18 are cooled by the double-tube cooling system 30 in a state where the inner space of the black board 52 is stored in an atmosphere filled with helium.
[0132]
Helium has a higher thermal conductivity than gas such as air, so that heat radiated from the Si wafer 18 can be efficiently transmitted to the inner surface of the black board 52. Therefore, in the second modification, since the helium layer 58 and the black board 52 are formed inside the double-tube cooling system 30, the thermal conductivity is higher than that in the first modification, and The heat recovery efficiency in the type cooling system 30 can be further increased.
[0133]
FIG. 26 is a graph showing the temperature change of the Si wafer 18 due to the cooling of the conventional method and the first and second modifications. In FIG. 26, a graph I is a graph when the Si wafer 18 is naturally cooled in a mirror-surface stainless steel and steel case. Graph II is a graph when the Si wafer 18 is cooled by the conventional forced convection cooling system. Graph III is a graph when the Si wafer 18 is cooled by the cooling system of the first modification. Graph IV is a graph when the Si wafer 18 is cooled by the cooling system of the second modification.
[0134]
Comparing the above graphs I to IV, the temperature of the Si wafer 18 heated to 800 ° C. drops only to about 180 ° C. even after 50 minutes in the conventional graph I, and the temperature of the Si wafer 18 in the conventional graph II It can be seen that the temperature drops only to about 70 ° C. even after 50 minutes.
[0135]
On the other hand, in the graph III of the first modification, the temperature of the Si wafer 18 decreases to about 40 ° C. after 40 minutes, and in the graph II of the second modification, it decreases to about 50 ° C. after 20 minutes. .
[0136]
Therefore, from the experimental results, in the case of Modifications 1 and 2, it becomes possible to cool the temperature of the Si wafer 18 from 800 ° C. to 50 ° C. in a shorter time than in the conventional method.
[0137]
FIG. 27 is a system diagram of the third modification.
As shown in FIG. 27, in the cooling equipment 60 of the third modification, the cooling water supply temperature supplied to the double-tube cooling system 30 is controlled to 23 ° C. which is the same as the room temperature of the clean room. Water is supplied to the double cooling water pipe 38 of the double pipe cooling system 30 via the water pump P4 and the water feeding line L4, and heat is recovered from the heat generating portion of the semiconductor manufacturing apparatus 14.
[0138]
At this time, in the cooling equipment 60, the discharge temperature of the cooling water supplied to the double cooling water pipe 38 of the double pipe cooling system 30 is set to 60 ° C, and the temperature difference from the supply temperature is set to 37 ° C. Control the flow rate of cooling water. In the case of this cooling facility 60, the flow rate of the cooling water supplied to the double cooling water pipe 38 is reduced to 4260 (L / hr), for example, from 54000 (L / hr) in the case of the conventional cooling system 10. I found out. As a result, the shaft power required for the water pump P4 can be further reduced as compared with the above embodiment.
[0139]
Further, the water discharged from the double cooling water pipe 38 is cooled from 60 ° C. to 23 ° C. by the heat exchanger HEX. At that time, in the heat exchanger HEX, a reheating portion or a preheating portion (not shown) of an outside air treatment device (for example, a cooling building CT or the like) requiring a heating source is used instead of the conventional cooling with cold water. The cooling water is returned to 23 ° C. by releasing heat at a heating portion (not shown) of another production apparatus.
[0140]
By adopting this method, the large-sized refrigerator R, the cold water tank CWT, the 5 ° C water pumps P2, P3, and the water lines L2, L3 required in the conventional cooling equipment 28 become unnecessary. Therefore, in the cooling equipment 60, the number of equipments and the water supply line can be reduced more than the cooling equipment 42 of the above embodiment, and the initial cost and operating cost of the cooling equipment can be greatly reduced. Is achieved.
[0141]
Further, the energy consumed by the cooling facility 60 is only 5.5 KW, and the energy consumed by the conventional cooling facility 28 can be reduced to about 1/6 of 30 KW.
[0142]
In the above embodiment, the configuration in which the cooling system of the present invention is applied to the cooling system for cooling the heat generated by the semiconductor manufacturing apparatus 14 is described as an example. However, the present invention is not limited to this. Of course, it can also be applied to
[0143]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, there is provided a storage chamber for storing a heating element heated by a heater, and a cooling path formed so as to surround the storage chamber. In the cooling system configured to supply and cool the heating element, the cooling path includes a first path in which a plurality of pipes are arranged in parallel so as to surround the storage chamber, and a plurality of pipes. Since it is composed of a second path arranged in parallel so as to surround the outer periphery of the first path, and a plurality of communication paths communicating between the first path and the second path, the cooling water is By supplying the cooling water to a plurality of pipes arranged in parallel, the efficiency of heat recovery by the cooling water can be increased. Furthermore, by increasing the heat recovery efficiency, greenhouse gases (CO 2 ) Can also be reduced.
[0144]
According to the second aspect of the present invention, the cooling water is supplied to the first path and the second path at a turbulent flow velocity, so that the temperature distribution in the pipes of the first path and the second path is made uniform. Heat recovery efficiency by cooling water can be increased.
[0145]
According to the third aspect of the present invention, since the cooling water is supplied to the first path and the second path at a flow rate at which the Reynolds number is 1000 or more, the cooling water is supplied to the first path and the second path in a turbulent state. And the temperature distribution in the pipes of the first path and the second path is made uniform, so that the efficiency of heat recovery by the cooling water can be increased.
[0146]
According to the invention described in claim 4, the cooling water supply unit communicates with one of the first path and the second path, and the cooling water discharge unit communicates with the other of the first path and the second path. , The temperature distribution in the pipes of the first path and the second path can be made uniform, and the efficiency of heat recovery by the cooling water can be increased.
[0147]
According to the fifth aspect of the present invention, since the heat absorber that absorbs heat is provided between the storage chamber and the first path, the heat generated in the storage chamber is absorbed by the heat absorber, and By cooling the surroundings, the heat recovery efficiency can be increased.
[0148]
According to the invention of claim 6, since the storage chamber is provided with the gas filling unit that fills the gas with high thermal conductivity, the heat generated in the storage chamber is recovered via the gas with high thermal conductivity, and the heat recovery is performed. Efficiency can be increased.
[0149]
According to the invention described in claim 7, since the heat insulating material is interposed between the first path and the second path, heat conduction between the first path and the second path is suppressed, and It is possible to prevent heat from the storage room from being conducted to the surroundings.
[0150]
According to the eighth aspect of the present invention, since the first path includes the outflow-side common pipe that communicates the outflow-side ends of the plurality of pipes, the cooling water that has passed through the plurality of pipes is simultaneously discharged. Heat recovery efficiency can be increased.
[0151]
According to the ninth aspect of the present invention, since the second path includes the inflow-side common pipe connecting the inflow-side ends of the plurality of pipes, the cooling water is simultaneously supplied to the plurality of pipes to recover heat. Efficiency can be increased.
[0152]
According to the tenth aspect of the present invention, in order to supply the cooling water that has flowed out of the outflow-side common pipe to the heat exchanger, the cooling water that has passed through the first path and the second path and that has risen in temperature is heated. Heat recovery efficiency can be increased by cooling the heat exchanger and supplying it to the first path and the second path.
[0153]
According to the eleventh aspect of the present invention, since the cooling water is supplied to the inflow-side common pipe at a turbulent flow velocity, the temperature distribution in the pipes of the first path and the second path is made uniform so that the heat generated by the cooling water becomes uniform. Recovery efficiency can be increased.
[0154]
According to the twelfth aspect of the present invention, since the plurality of conduits are arranged in parallel at predetermined intervals so as to face the storage chamber, the entire circumference of the storage chamber can be uniformly cooled to enhance the heat recovery efficiency. it can.
[0155]
According to the thirteenth aspect, since the plurality of communication paths are arranged in parallel so as to branch from respective ends of the plurality of pipes, the cooling water from the first path via the plurality of communication paths. Is supplied to the plurality of conduits in the second path, so that the entire circumference of the storage chamber can be uniformly cooled to increase the heat recovery efficiency.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor manufacturing apparatus to which a conventional cooling system is attached.
FIG. 2 is a system diagram showing an example of a cooling facility to which a conventional cooling system 10 is applied.
FIG. 3 is a development view showing a cooling water path 11 used in the conventional cooling system 10.
FIG. 4 is a perspective view showing an attached state of a cooling water pipe 11;
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing one embodiment of a cooling system according to the present invention.
FIG. 6 is a system diagram showing an example of a cooling facility to which the double-pipe cooling system 30 of the present invention is applied.
FIG. 7 is a development view showing a double cooling water path 38 used in the double pipe cooling system 30.
FIG. 8 is a perspective view showing an attached state of a double cooling water pipe 38.
FIG. 9 is a cross-sectional view of the double-tube cooling system 30 as viewed from above.
FIG. 10 is a graph showing a temperature distribution in a circumferential direction of a double cooling water pipe 38;
FIG. 11 is a cross-sectional view of the conventional cooling system 10 as viewed from above.
FIG. 12 is a graph showing a circumferential temperature distribution of a conventional cooling water pipe 11;
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the distance from a heat insulating material provided on the outer periphery of the heater and the temperature.
FIG. 14 is a diagram schematically illustrating a configuration of a double-tube cooling system 30 in a radial direction.
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the distance from a heat insulating material provided on the outer periphery of the heater and the temperature in the conventional system.
FIG. 16 is a diagram schematically illustrating a configuration of a conventional cooling system 10 in a radial direction.
FIG. 17 is a graph showing an experimental result of a temperature distribution in a radial direction of an air layer 50 interposed between the heat insulating material 24 and the cooling system.
FIG. 18 is a graph showing the cooling water amount of the double-tube cooling system 30 and the cooling efficiency with respect to the furnace set temperature.
FIG. 19 is a graph showing a relationship between heater temperature and electric power when the double-tube cooling system 30 is used.
FIG. 20 is a graph showing the relationship between the flow rate of cooling water and the Reynolds number.
FIG. 21 is a graph showing the relationship between the heat recovery rate of the conventional cooling system 10 and the flow rate of cooling water.
FIG. 22 is a graph showing changes in cooling heat amount, electric power, and cooling water temperature difference with respect to the cooling water flow rate of the double-tube cooling system 30.
FIG. 23 is a graph showing changes in cooling heat amount, electric power, and cooling water temperature difference with respect to the cooling water flow rate of the conventional cooling system 10.
FIG. 24 is a diagram illustrating a schematic configuration of a modification 1 of the cooling system.
FIG. 25 is a diagram showing a schematic configuration of Modification 2 of the cooling system.
FIG. 26 is a graph showing a temperature change of the Si wafer 18 due to cooling in the conventional method and the first and second modifications.
FIG. 27 is a system diagram of a third modification.
[Explanation of symbols]
12 Reaction chamber
14 Semiconductor manufacturing equipment
16 stages
18 Si wafer
20 Quartz bell jar
22 Bar heater
24 Insulation
26 Elevating base
30 Double tube cooling system
32 Inside cooling path
34 Outside cooling path
36 connecting passage
38 Double cooling water line
40 Insulation
42,60 cooling equipment
50,54 Air layer
52 Black Board
56 Helium supply device
58 helium layer

Claims (13)

発熱体を収納する収納室と、該収納室を囲むように形成された冷却経路とを有し、該冷却経路に冷却水を供給して前記発熱体を冷却するように構成された冷却システムにおいて、
前記冷却経路は、
複数の管路が前記収納室の周囲を囲むように並列に配置された第1の経路と、
複数の管路が前記第1の経路の外周を囲むように並列に配置された第2の経路と、
前記第1の経路と前記第2の経路との間を連通する複数の連通路と、
からなることを特徴する冷却システム。
A cooling system comprising a storage chamber for storing a heating element, and a cooling path formed to surround the storage chamber, and configured to supply cooling water to the cooling path to cool the heating element. ,
The cooling path is
A first path in which a plurality of conduits are arranged in parallel so as to surround the storage chamber;
A second path in which a plurality of conduits are arranged in parallel so as to surround an outer periphery of the first path;
A plurality of communication paths communicating between the first path and the second path;
A cooling system characterized by comprising:
前記冷却水供給部は、前記冷却水を乱流となる流速で前記第1の経路及び前記第2の経路に供給することを特徴する請求項1記載の冷却システム。2. The cooling system according to claim 1, wherein the cooling water supply unit supplies the cooling water to the first path and the second path at a turbulent flow velocity. 3. 前記冷却水供給部は、前記冷却水をレイノルズ数が1000以上となる流速で前記第1の経路及び前記第2の経路に供給することを特徴する請求項1記載の冷却システム。The cooling system according to claim 1, wherein the cooling water supply unit supplies the cooling water to the first path and the second path at a flow rate at which the Reynolds number is 1000 or more. 前記冷却水供給部を前記第1の経路または前記第2の経路の何れか一方に連通し、
前記冷却水排出部を前記第1の経路または前記第2の経路の何れか他方に連通したことを特徴する請求項1記載の冷却システム。
The cooling water supply unit communicates with one of the first path and the second path,
The cooling system according to claim 1, wherein the cooling water discharge unit communicates with one of the first path and the second path.
前記収納室と前記第1の経路との間に熱を吸収する熱吸収体を設けたことを特徴する請求項1記載の冷却システム。The cooling system according to claim 1, wherein a heat absorber that absorbs heat is provided between the storage chamber and the first path. 前記収納室に熱伝導性の高いガスを充填するガス充填ユニットを備えたことを特徴する請求項1記載の冷却システム。The cooling system according to claim 1, further comprising a gas filling unit that fills the storage chamber with a gas having high thermal conductivity. 前記第1の経路と前記第2の経路との間に断熱材を介在させたことを特徴する請求項1記載の冷却システム。The cooling system according to claim 1, wherein a heat insulating material is interposed between the first path and the second path. 前記第1の経路は、
前記複数の管路の流出側端部を連通する流出側共通管路を備えたことを特徴する請求項1記載の冷却システム。
The first path is:
The cooling system according to claim 1, further comprising an outflow-side common pipe communicating the outflow-side ends of the plurality of pipes.
前記第2の経路は、
前記複数の管路の流入側端部を連通する流入側共通管路を備えたことを特徴する請求項1記載の冷却システム。
The second path is
The cooling system according to claim 1, further comprising an inflow-side common pipe communicating the inflow-side ends of the plurality of pipes.
前記冷却水排出部は、前記流出側共通管路から流出された冷却水を熱交換器に供給することを特徴する請求項8記載の冷却システム。9. The cooling system according to claim 8, wherein the cooling water discharge section supplies the cooling water discharged from the outflow common pipe to a heat exchanger. 前記冷却水供給部は、前記冷却水を乱流となる流速で前記流入側共通管路に供給することを特徴する請求項9記載の冷却システム。The cooling system according to claim 9, wherein the cooling water supply unit supplies the cooling water to the inflow-side common pipe at a turbulent flow velocity. 前記複数の管路は、所定の間隔で前記収納室に対向するように平行に配置されたことを特徴する請求項1記載の冷却システム。The cooling system according to claim 1, wherein the plurality of conduits are arranged in parallel so as to face the storage chamber at predetermined intervals. 前記複数の連通路は、前記複数の管路の夫々の端部から分岐するように並列に配置されたことを特徴する請求項1記載の冷却システム。2. The cooling system according to claim 1, wherein the plurality of communication paths are arranged in parallel so as to branch from respective ends of the plurality of conduits. 3.
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