JP2004251485A - チラー装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数の負荷を冷却する際に、各々の設定温度に各負荷側回路の冷媒温度を速やかに追随させることができるチラー装置を提供する。
【解決手段】子チラー装置ｃｈ１の純水冷媒バイパス流路３０は、負荷側回路Ｃ３１ に供給する直前で純水冷媒が戻されるように、制御バルブ３２の直前に配置される。制御バルブ３２を通過しない純水冷媒は、純水冷媒バイパス流路３０および純水冷媒戻り流路１２ｂを介してメインタンク２５ａに戻される。また、冷却水バイパス流路３５は、負荷側回路Ｃ３１ に供給する直前で冷却水が戻されるように、制御バルブ３７の直前に配置される。制御バルブ３７を通過しない冷却水は、冷却水バイパス流路３５、分岐冷却水戻り流路１５ｃ、および冷却水戻り流路１１ｂを介して屋外冷却器１０に戻される。
【選択図】 図４
【解決手段】子チラー装置ｃｈ１の純水冷媒バイパス流路３０は、負荷側回路Ｃ３１ に供給する直前で純水冷媒が戻されるように、制御バルブ３２の直前に配置される。制御バルブ３２を通過しない純水冷媒は、純水冷媒バイパス流路３０および純水冷媒戻り流路１２ｂを介してメインタンク２５ａに戻される。また、冷却水バイパス流路３５は、負荷側回路Ｃ３１ に供給する直前で冷却水が戻されるように、制御バルブ３７の直前に配置される。制御バルブ３７を通過しない冷却水は、冷却水バイパス流路３５、分岐冷却水戻り流路１５ｃ、および冷却水戻り流路１１ｂを介して屋外冷却器１０に戻される。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置などで負荷の温度制御を行うチラー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造・加工工程では、製膜する半導体層の膜質や、半導体層に打ち込む不純物の濃度などを均一に保つために、基板であるウエハーの温度管理を厳密に行う必要がある。従来の半導体製造装置では、例えば図１０に示すチラー装置２００を用いて、各工程毎に温度管理を行っている（特許文献１参照）。
【０００３】
チラー装置２００は、冷却器２０１、および冷媒を循環するポンプ２０２を備えた一次側回路Ｃ１と、熱交換器２０３を介して一次側回路Ｃ１の冷媒と熱交換する冷媒を循環するポンプ２０４、バッファタンク２０５、および抵抗流路２０６を備えた二次側回路Ｃ２と、負荷Ｗを冷却する負荷側の冷媒を循環するポンプ２０７、および抵抗流路２０８を備えた負荷側回路Ｃ３とから構成される。
【０００４】
二次側回路Ｃ２と負荷側回路Ｃ３とは、連絡流路２０９、２１０により接続されている。連絡流路２１０には、この連絡流路２１０を流れる冷媒の流量を制御する制御バルブ２１１が設けられている。制御バルブ２１１の開度は、負荷Ｗの温度を検出する温度調節器２１２からの出力信号に応じて制御される。このようにすると、温度制御の精度が向上し、負荷Ｗの温度変動が大きな場合でも迅速に対応することができる。また、装置全体が小型化され、設置条件の自由度が増すという利点がある。
【０００５】
チラー装置２００では、二次側回路Ｃ２の冷媒温度を負荷側回路Ｃ３の冷媒の設定温度よりも僅かに低い一定温度（例えば設定温度−３℃±１〜０．５℃）に制御している。このため、冷却器２０１を常時運転して、一次側回路Ｃ１のホットガスバイパス制御、または冷却器２０１のインバータ制御により、熱交換器２０３へ供給される一次側回路Ｃ１の冷媒温度を制御するとともに、負荷側回路Ｃ３の冷媒温度が設定温度よりも下回らないように、負荷側回路Ｃ３の冷媒をヒータ２１３により頻繁に加熱する必要があり、膨大なエネルギーを消費していた。
【０００６】
上記のような問題点を解決するために、本発明者は、図１１に示すようなチラー装置３００を考案した。このチラー装置３００は、冷却器３０１、および冷媒を循環するポンプ３０２を備えた一次側回路Ｃ１と、熱交換器３０３を介して一次側回路Ｃ１の冷媒と熱交換する冷媒を循環するポンプ３０４、バイパス流路３０５、および供給流路３０６を備えた二次側回路Ｃ２と、負荷Ｗを冷却する負荷側の冷媒を循環するポンプ３０７、および混合タンク３０８を備えた負荷側回路Ｃ３とから構成される。
【０００７】
供給流路３０６には、制御バルブ３０９が設けられている。この制御バルブ３０９の下流側は、混合タンク３０８に接続されている。混合タンク３０８は、流路３１０を介してメインタンク３１１に接続され、ポンプ３０７の吸い込み流路３１２と負荷Ｗの下流側の戻り流路３１３とに接続している。バイパス流路３０５には、バルブ３１４が設けられており、このバルブ３１４の下流側はメインタンク３１１に接続されている。
【０００８】
制御バルブ３０９の開度は、負荷Ｗの温度を検出する温度センサ３１５が接続されたコントローラ３１６からの出力信号に応じて制御される。コントローラ３１６には、温度センサ３１５の他に、メインタンク３１１から流出する冷媒の温度を検出する温度センサ３１７、一次側回路Ｃ１の冷却器３０１、およびポンプ３０２が接続されている。このコントローラ３１６は、温度センサ３１７からの検出信号に応じて、この温度が予め設定した下限設定温度に冷却されるまで冷却器３０１およびポンプ３０２を作動させ、下限設定温度まで下がった時点でこれらの作動を停止させる。これにより、装置の省エネルギー化を実現させることができる。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３０９５３７７号
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のようなチラー装置３００で複数の負荷を冷却する場合、異なった設定温度をもつ複数の負荷側回路に対して、これらの設定温度の全てよりも低い温度に二次側回路Ｃ２の冷媒温度を冷却すれば、バルブ制御により各々の負荷側回路に流入する冷媒の流量を調節することによって温度制御が可能となる。この場合、負荷側回路Ｃ３の冷媒が設定温度にあるときには、負荷側回路Ｃ３の冷媒をこれ以上冷却しないために、制御バルブを閉じ、冷媒をバイパス流路からメインタンクに戻す必要がある。しかしながら、チラー装置３００では、二次側回路Ｃ２にバイパス流路３０５が設けられているため、複数の負荷を冷却する際の各負荷側回路の温度追随性を考慮すると、好ましい態様とは言い難い。
【００１１】
本発明は、複数の負荷を冷却する際、各々の設定温度に各負荷側回路の冷媒温度を速やかに追随させることができるチラー装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、冷却器と、冷却器により冷却された一次側冷媒が循環される一次側回路と、一次側冷媒と熱交換する二次側冷媒が貯留されるタンクと、二次側冷媒が循環される二次側回路と、負荷を冷却する負荷側冷媒が循環される複数の負荷側回路とを備えたチラー装置において、前記二次側回路を、前記タンクから負荷側回路に向けて二次側冷媒を供給する冷媒供給流路と、冷媒供給流路を経由した二次側冷媒を前記タンクに戻す冷媒戻り流路と、前記冷媒供給流路から分岐して、負荷側回路に二次側冷媒を供給する分岐冷媒供給流路と、前記冷媒戻り流路から分岐して、負荷側回路から二次側冷媒を戻す分岐冷媒戻り流路と、負荷側回路で使用されない二次側冷媒を、前記分岐冷媒供給流路から冷媒戻り流路に戻す冷媒バイパス流路とから構成するとともに、前記負荷側回路に供給する直前で二次側冷媒が戻されるように、前記冷媒バイパス流路を配置したことを特徴とする。
【００１３】
また、前記複数の負荷側回路の少なくとも一部に、冷却水と熱交換することにより負荷側冷媒を冷却する熱交換手段を設け、前記熱交換手段を、冷却水冷却器と、この冷却水冷却器から前記複数の負荷側回路に向けて冷却水を供給する冷却水供給流路と、冷却水供給流路を経由した冷却水を冷却水冷却器に戻す冷却水戻り流路と、冷却水供給流路から分岐して、前記複数の負荷側回路の少なくとも一部に冷却水を供給する分岐冷却水供給流路と、冷却水戻り流路から分岐して、前記複数の負荷側回路の少なくとも一部から冷却水を戻す分岐冷却水戻り流路と、前記分岐冷却水供給流路から供給される冷却水のうち、熱交換に使用されない冷却水を前記分岐冷却水戻り流路に戻す冷却水バイパス流路とから構成し、前記負荷側回路の熱交換器に供給する直前で冷却水が戻されるように、前記冷却水バイパス流路を配置したことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のチラー装置を適用した半導体製造システムの構成を示す。半導体製造システム２は、半導体製造装置ｓ１〜ｓ９と、親チラー装置ｐ１、ｐ２と、子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９とからなり、塵埃・温湿度管理されたクリーンルーム内に設置されている。半導体製造装置ｓ１〜ｓ９は、半導体膜を製膜するＣＶＤまたはＰＶＤ装置や、真空蒸着装置、半導体に不純物を打ち込むインプラント装置などから構成される。親チラー装置ｐ１、ｐ２には、それぞれ純水冷媒、フッ素系冷媒を用いたものを例示している。
【００１５】
子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９は、半導体製造装置ｓ１〜ｓ９の負荷Ｗ１〜Ｗ９（図４〜７参照）の温度が、各々の設定温度となるように温度制御する。親チラー装置ｐ１、ｐ２、および子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９には、クリーンルーム外に設置された屋外冷却器１０からの一次冷却水が循環する一次冷却水配管１１が接続されている。また、子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ６には、親チラー装置ｐ１からの純水冷媒が循環する純水冷媒配管１２（破線で示す）が接続され、子チラー装置ｃｈ２、ｃｈ７には、親チラー装置ｐ２からのフッ素系冷媒が循環するフッ素系冷媒配管１３（一点鎖線で示す）が接続されている。
【００１６】
半導体製造システム２の配管系統を示す図２において、一次冷却水配管１１は、親チラー装置ｐ２、ｐ１、子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９の近傍を経由して配管される冷却水供給流路１１ａと、この冷却水供給流路１１ａとは逆に、子チラー装置ｃｈ９〜ｃｈ１、親チラー装置ｐ１、ｐ２の順に一次冷却水が戻される冷却水戻り流路１１ｂとからなり、これらの流路１１ａ、１１ｂを介して一次冷却水が屋外冷却器１０に循環されるように構成されている。冷却水戻り流路１１ｂを経由して屋外冷却器１０に戻された一次冷却水は、屋外冷却器１０で再度冷却され、流路１１ａ、１１ｂで再度循環される。
【００１７】
屋外冷却器１０から供給される一次冷却水は、冷却水供給流路１１ａから分岐した分岐冷却水供給流路１４ａ〜１４ｎを介して親チラー装置ｐ１、ｐ２、および子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９に各々供給される。また、これら親チラー装置ｐ１、ｐ２、および子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９からは、冷却水戻り流路１１ｂに一次冷却水を戻す分岐冷却水戻り流路１５ａ〜１５ｎが配設されている。ここで、子チラー装置ｃｈ３、ｃｈ５およびｃｈ８には、分岐冷却水供給流路および分岐冷却水戻り流路が２系統（ｃｈ３では１４ｅ、１５ｅおよび１４ｆ、１５ｆ、ｃｈ５では１４ｈ、１５ｈおよび１４ｉ、１５ｉ、ｃｈ８では１４ｌ、１５ｌおよび１４ｍ、１５ｍ）設けられており、子チラー装置ｃｈ３、ｃｈ５およびｃｈ８では、この２系統で一次冷却水の供給および戻り動作が行われる。
【００１８】
純水冷媒配管１２は、子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ６の近傍を経由して配管される純水冷媒供給流路１２ａと、この純水冷媒供給流路１２ａとは逆に、子チラー装置ｃｈ６〜ｃｈ１の順に純水冷媒が戻される純水冷媒戻り流路１２ｂとからなり、これらの流路１２ａ、１２ｂを介して純水冷媒が親チラー装置ｐ１に循環されるように構成されている。純水冷媒戻り流路１２ｂを経由して親チラー装置ｐ１に戻された純水冷媒は、親チラー装置ｐ１で再度冷却され、流路１２ａ、１２ｂで再度循環される。
【００１９】
親チラー装置ｐ１から供給される純水冷媒は、純水冷媒供給流路１２ａから分岐した分岐純水冷媒供給流路１６ａ、１６ｂを介して子チラー装置ｃｈ１およびｃｈ６に供給される。また、これら子チラー装置ｃｈ１およびｃｈ６からは、純水冷媒戻り流路１２ｂに純水冷媒を戻す分岐純水冷媒戻り流路１７ａ、１７ｂが配設されている。
【００２０】
フッ素系冷媒配管１３は、子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ７の近傍を経由して配管されるフッ素系冷媒供給流路１３ａと、このフッ素系冷媒供給流路１３ａとは逆に、子チラー装置ｃｈ７〜ｃｈ１の順に供給されたフッ素系冷媒が戻されるフッ素系冷媒戻り流路１３ｂとからなり、これらの流路１３ａ、１３ｂを介してフッ素系冷媒が親チラー装置ｐ２に循環されるように構成されている。フッ素系冷媒戻り流路１３ｂを経由して親チラー装置ｐ２に戻されたフッ素系冷媒は、親チラー装置ｐ２で再度冷却され、流路１３ａ、１３ｂで再度循環される。
【００２１】
親チラー装置ｐ２から供給されるフッ素系冷媒は、フッ素系冷媒供給流路１３ａから分岐した分岐フッ素系冷媒供給流路１８ａ、１８ｂを介して子チラー装置ｃｈ２およびｃｈ７に供給される。また、これら子チラー装置ｃｈ２およびｃｈ７からは、フッ素系冷媒戻り流路１３ｂにフッ素系冷媒を戻す分岐フッ素系冷媒戻り流路１９ａ、１９ｂが配設されている。
【００２２】
ここで、図２の配管系統例は、一次冷却水、純水冷媒およびフッ素系冷媒が、配管１１、１２および１３の各々を循環され、且つ一次冷却水、純水冷媒およびフッ素系冷媒が複数のチラー装置に供給可能となっていること（例えば、一次冷却水は親チラー装置ｐ１、ｐ２、および子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９に、純水冷媒は子チラー装置ｃｈ１およびｃｈ６に、フッ素系冷媒は子チラー装置ｃｈ２およびｃｈ７に各々供給され、戻されること）を示すものであって、親チラー装置ｐ１、ｐ２から、純水冷媒、フッ素系冷媒のどちらも供給されない子チラー装置（ｃｈ３〜ｃｈ５、ｃｈ８およびｃｈ９）も例示されているが、これらの子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９は、同タイプの子チラー装置（例えばｃｈ１、あるいはｃｈ３）であってもよく、その構成は半導体製造システム２の仕様に応じて適宜変更可能である。また、配管１１、１２および１３は、使用する子チラー装置に応じて変更すればよく、例えばｃｈ１、ｃｈ２タイプの子チラー装置のみで構成した場合、全子チラー装置を網羅するように配管１２、１３を配設し、全子チラー装置に対して冷媒を供給するように配設してもよい。さらに、子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９が、純水冷媒、フッ素系冷媒のいずれか一方のみを必要とする構成であった場合は、親チラー装置ｐ１、ｐ２、および配管１２、１３のいずれか一方を省略してもよい。
【００２３】
図３に示すように、親チラー装置ｐ１、ｐ２は、それぞれ一次側回路Ｃ１ａ、Ｃ１ｂと二次側回路Ｃ２ａ、Ｃ２ｂとから構成される。一次側回路Ｃ１ａ、Ｃ１ｂには、圧縮器２０ａ、２０ｂ、凝縮器２１ａ、２１ｂ、膨張弁２２ａ、２２ｂ、および熱交換器２３ａ、２３ｂが設けられている。一次側回路Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ内の冷媒ガスは、圧縮器２０ａ、２０ｂで圧縮されて高温・高圧状態となる。高温・高圧状態となった冷媒ガスは、凝縮器２１ａ、２１ｂにより液化された後、膨張弁２２ａ、２２ｂによりガス化され、熱交換器２３ａ、２３ｂを介して二次側回路Ｃ２ａ、Ｃ２ｂの冷媒を冷却する。なお、これら圧縮器２０ａ、２０ｂ、凝縮器２１ａ、２１ｂ、膨張弁２２ａ、２２ｂ、および熱交換器２３ａ、２３ｂは、冷却器を構成している。
【００２４】
二次側回路Ｃ２ａ、Ｃ２ｂには、二次側ポンプ２４ａ、２４ｂ、メインタンク２５ａ、２５ｂ、および温度センサ２６ａ〜２８ａ、２６ｂ〜２８ｂが設けられている。メインタンク２５ａ、２５ｂには、所定量の純水冷媒およびフッ素系冷媒が貯留されており、純水冷媒戻り流路１２ｂ、フッ素系冷媒戻り流路１３ｂと、二次側ポンプ２４ａ、２４ｂの上流側とが接続されている。メインタンク２５ａ、２５ｂ内の冷媒は、二次側ポンプ２４ａ、２４ｂにより二次側回路Ｃ２ａ、Ｃ２ｂを循環し、熱交換器２３ａ、２３ｂにより冷却された後、純水冷媒供給流路１２ａ、フッ素系冷媒供給流路１３ａを介して子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ６およびｃｈ２、ｃｈ７へと供給される。子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ６およびｃｈ２、ｃｈ７からの冷媒は、各戻り流路１２ｂ、１３ｂを介してメインタンク２５ａ、２５ｂに戻される。
【００２５】
温度センサ２６ａ、２６ｂは、メインタンク２５ａ、２５ｂから流出する冷媒の温度を、温度センサ２７ａ、２７ｂは、熱交換器２３ａ、２３ｂにより冷却された冷媒の温度を、温度センサ２８ａ、２８ｂは、各戻り流路１２ｂ、１３ｂを介してメインタンク２５ａ、２５ｂに戻される冷媒の温度をそれぞれ検出する。これらの温度センサ２６ａ〜２８ａ、２６ｂ〜２８ｂの出力信号は、温度調節器１２０（図８参照）に送信される。
【００２６】
親チラー装置ｐ１、ｐ２の冷媒の温度は、子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ６、ｃｈ７により温度制御される負荷の設定温度よりも低く、且つ後述する制御バルブ３２の開閉で制御することが可能な温度範囲に設定される（例えば子チラー装置の設定温度から−５〜−２０℃）。親チラー装置ｐ１、ｐ２は、メインタンク２５ａ、２５ｂから流出する冷媒の温度を検出する温度センサ２６ａ、２６ｂの出力が設定温度範囲よりも高くなると、一次側回路Ｃ１ａ、Ｃ１ｂの冷却器および二次側ポンプ２４ａ、２４ｂを作動させ、設定温度の下限値に達した時点でこれらの作動を停止させる。
【００２７】
図４に示すように、子チラー装置ｃｈ１は、冷媒循環回路Ｃｒ１ と、一次冷却水循環回路Ｃｗ１ と、負荷側回路Ｃ３１ とから構成される。冷媒循環回路Ｃｒ１ には、前述の分岐純水冷媒供給流路１６ａ、分岐純水冷媒戻り流路１７ａの他に、純水冷媒バイパス流路３０、温度センサ３１、制御バルブ３２、および抵抗バルブ３３、３４が設けられている。純水冷媒バイパス流路３０は、負荷側回路Ｃ３１ に供給する直前で純水冷媒が戻されるように、制御バルブ３２の直前に配置され、分岐純水冷媒供給流路１６ａと純水冷媒戻り流路１２ｂとを接続している。制御バルブ３２を通過しない純水冷媒は、この純水冷媒バイパス流路３０および純水冷媒戻り流路１２ｂを介してメインタンク２５ａに戻される。
【００２８】
温度センサ３１は、分岐純水冷媒供給流路１６ａを通過する冷媒の温度を検出する。制御バルブ３２は、負荷側回路Ｃ３１ の冷媒温度および設定温度に応じて開度を調節し、負荷側回路Ｃ３１ に供給する冷媒の流量を制御する。すなわち、負荷側回路Ｃ３１ の冷媒の温度を検出する温度センサ４１の出力に応じて、負荷側回路Ｃ３１ の設定温度となるように冷媒を供給する。したがって、制御バルブ３２は、全開または全閉となる場合がある。抵抗バルブ３３、３４は、冷媒の供給量に応じて分岐純水冷媒戻り流路１７ａに戻される冷媒、および純水冷媒バイパス流路３０を通過する制御バルブ３２に供給されなかった冷媒を戻すときの抵抗として作用する。なお、制御バルブ３２としては、微小流量から大流量まで高精度な制御が可能なニードル式のバルブ、例えば株式会社鷺宮製作所製の汎用型電子膨張弁ＰＫＶ形またはＥＫＶ形が用いられる。
【００２９】
一次冷却水循環回路Ｃｗ１ には、前述の分岐冷却水供給流路１４ｃ、分岐冷却水戻り流路１５ｃの他に、冷却水バイパス流路３５、温度センサ３６、制御バルブ３７、抵抗バルブ３８、および熱交換器３９が設けられている。制御バルブ３７は、温度センサ３６、４２により制御され、温度センサ４２の出力が温度センサ３６の出力よりも高温であることを条件として開き、その逆の場合は閉じられる。冷却水バイパス流路３５は、制御バルブ３７が閉じられたときに、負荷側回路Ｃ３１ に供給する直前で冷却水が戻されるように、制御バルブ３７の直前に配置され、分岐冷却水供給流路１４ｃと分岐冷却水戻り流路１５ｃとを接続している。制御バルブ３７を通過しない冷却水は、この冷却水バイパス流路３５、分岐冷却水戻り流路１５ｃ、および冷却水戻り流路１１ｂを介して屋外冷却器１０に戻される。
【００３０】
温度センサ３６は、分岐冷却水供給流路１４ｃを通過する一次冷却水の温度を検出する。制御バルブ３７は、負荷側回路Ｃ３１ の冷媒温度および設定温度に応じて開度を調節し、熱交換器３９に供給する一次冷却水の流量を制御する。抵抗バルブ３８は、冷却水バイパス流路３５を通過する一次冷却水の抵抗として作用する。負荷側回路Ｃ３１ の冷媒は、熱交換器３９を介して制御バルブ３７を通過した一次冷却水に冷却され、粗熱を除去される。これにより、二次側回路Ｃ２ａの冷媒温度が高くなることが少なくなり、延いては二次側回路Ｃ２ａの冷媒温度を設定温度範囲内に長時間保つことができる。したがって、一次側回路Ｃ１ａの冷却器が作動する時間をより短くすることができ、装置の省エネルギー化をさらに促進させることが可能となる。
【００３１】
負荷側回路Ｃ３１ には、負荷Ｗ１を冷却する負荷側の冷媒を循環する負荷側ポンプ４０、温度センサ４１〜４３、および混合タンク４４が設けられている。温度センサ４１は、負荷側ポンプ４０から流出する冷媒の温度を、温度センサ４２は、負荷Ｗ１の戻り側の冷媒の温度を、温度センサ４３は、熱交換器３９により冷却された冷媒の温度をそれぞれ検出する。これらの温度センサ４１〜４３の出力信号は、温度調節器１２０（図８参照）に送信される。
【００３２】
子チラー装置ｃｈ１は、温度センサ４１の出力（負荷側回路Ｃ３１ の冷媒温度）が予め設定された温度であるとき、または温度センサ４１および４３の出力が同一であるときには、制御バルブ３２を閉じて負荷側回路Ｃ３１ の冷媒がそれ以上冷却されないようにする。一方、温度センサ４１の出力が設定温度以上になった場合は、温度センサ３１の出力を考慮しながら制御バルブ３２を開き、二次側回路Ｃ２ａの冷媒を混合タンク４４に導入する。
【００３３】
一次冷却水循環回路Ｃｗ１ は、温度センサ４２の出力（負荷Ｗ１の戻り側の冷媒温度）が設定温度よりも高く、且つ温度センサ３６の出力（分岐冷却水供給流路１４ｃを通過する一次冷却水の温度）が温度センサ４２の出力よりも低い場合に、制御バルブ３７を開いて一次冷却水を熱交換器３９に導入する。
【００３４】
混合タンク４４は、制御バルブ３２を介して供給される冷媒と、負荷側回路Ｃ３１ の冷媒とを混合して負荷側回路Ｃ３１ に供給する。なお、この混合タンク４４内には、温度センサ４１の出力が設定温度を下回ったときに作動する図示しないヒータが組み込まれている。
【００３５】
混合タンク４４には、予備タンク４５が接続されている。この予備タンク４５には、純水冷媒が貯留されており、運転開始時に負荷側回路Ｃ３１ に冷媒を供給するとともに、配管のガス抜きを行うために設けられている。また、必要に応じて制御バルブ３２を閉じた状態で使用すれば、後述する子チラー装置ｃｈ４、ｃｈ９と同様の構成となり、子チラー装置ｃｈ１を親チラー装置ｐ１と切り離して、単独のチラー装置として稼働させることができる。したがって、負荷側回路Ｃ３１ の冷媒の種類を代える際に、極めて有用な構成であると言える。なお、予備タンク４５は、子チラー装置ｃｈ１よりも上側に配置することが好ましい。
【００３６】
次に、図３および図４を参照して、子チラー装置ｃｈ１の動作について説明する。半導体製造システム２の運転開始とともに、一次側回路Ｃ１ａの冷却器、二次側ポンプ２４ａ、および負荷側ポンプ４０が駆動される。冷却器により冷却された一次側回路Ｃ１ａの冷媒は、熱交換器２３ａを介して二次側回路Ｃ２ａの冷媒を冷却する。このとき、温度センサ４１で検出される冷媒の温度（負荷Ｗ１に供給される冷媒の温度）が設定温度以下であった場合、制御バルブ３２は閉じられ、冷媒は純水冷媒バイパス流路３０を経由してメインタンク２５ａに戻される。負荷側回路Ｃ３１ では、二次側回路Ｃ２ａの冷媒との熱交換は行われず、負荷側ポンプ４０により冷媒が循環した状態となる。
【００３７】
一方、温度センサ４１で検出される冷媒の温度が、設定温度以上になった場合、シーケンサ１２１（図８参照）から検出温度に応じたパルス信号が出力され、制御バルブ３２の開度が調節される。制御バルブ３２が開くと、その開度に応じた流量の冷媒が混合タンク４４に流入する。制御バルブ３２を通過しない冷媒は、純水冷媒バイパス流路３０を経由してメインタンク２５ａに戻される。
【００３８】
混合タンク４４内では、二次側回路Ｃ２ａから流入した冷媒と負荷側回路Ｃ３１ の冷媒とが合流して混合される。混合された冷媒は、混合タンク４４から負荷側ポンプ４０に吸い込まれ、負荷Ｗ１を設定温度となるように冷却する。負荷Ｗ１を冷却した冷媒は、一次冷却水循環回路Ｃｗ１ で粗熱を除去された後、二次側回路Ｃ２ａから流入した冷媒の流量に相当する流量で再び混合タンク４４、分岐純水冷媒戻り流路１７ａを経由してメインタンク２５ａに戻される。
【００３９】
ここで、子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ６、およびｃｈ７は同様の構成であり、ｃｈ１、ｃｈ６は純水冷媒を、ｃｈ２、ｃｈ７はフッ素系冷媒を用いている点が異なるだけであるので、ｃｈ１のみを図示し、その他の装置の説明および図示は省略する。
【００４０】
図５に示すように、子チラー装置ｃｈ３の一次冷却水循環回路Ｃｗ３ には、前述の分岐冷却水供給流路１４ｅ、分岐冷却水戻り流路１５ｅの他に、冷却水バイパス流路５０、温度センサ５１、制御バルブ５２、抵抗バルブ５３、および熱交換器５４が設けられている。冷却水バイパス流路５０は、負荷側回路Ｃ３３ に供給する直前で冷却水が戻されるように、制御バルブ５２の直前に配置され、分岐冷却水供給流路１４ｅと分岐冷却水戻り流路１５ｅとを接続している。制御バルブ５２を通過しない冷却水は、この冷却水バイパス流路５０、分岐冷却水戻り流路１５ｅ、および冷却水戻り流路１１ｂを介して屋外冷却器１０に戻される。
【００４１】
温度センサ５１は、分岐冷却水供給流路１４ｅを通過する一次冷却水の温度を検出する。制御バルブ５２は、負荷側回路Ｃ３３ の冷媒温度および設定温度に応じて（温度センサ５１、６１の出力を比較することにより）開度を調節し、熱交換器５４に供給する一次冷却水の流量を制御する。抵抗バルブ５３は、冷却水バイパス流路５０を通過する一次冷却水の抵抗として作用する。熱交換器５４は、一次冷却水と負荷側回路Ｃ３３ の冷媒との熱交換を行い、負荷側回路Ｃ３３ の冷媒を冷却する。なお、子チラー装置ｃｈ３は、一次冷却水循環回路Ｃｗ３ を用いて負荷側回路Ｃ３３ の冷媒を冷却する点のみがｃｈ１と異なり、その他の構成および作用はｃｈ１と同一であるので、構成部品には符号のみを付し、説明を省略する。また、子チラー装置ｃｈ３およびｃｈ８は、負荷側回路で使用する冷媒（ｃｈ３は純水冷媒、ｃｈ８はフッ素系冷媒）が異なるだけであるので、子チラー装置ｃｈ８の図示および説明は省略する。
【００４２】
図６に示す子チラー装置ｃｈ４は、前述のように子チラー装置ｃｈ１で制御バルブ３２を閉じて使用した状態と同様で、ペルチェ素子８１を用いて負荷側回路Ｃ３４ の冷媒の温度調節を行う点のみが異なる。子チラー装置ｃｈ４では、一次冷却水循環回路Ｃｗ４ で負荷側回路Ｃ３４ の冷媒を設定温度にある程度温度制御し、ペルチェ素子８１で負荷側回路Ｃ３４ の冷媒を冷却または加熱して、僅かな温度誤差を補正する。なお、子チラー装置ｃｈ４およびｃｈ９は、子チラー装置ｃｈ３の場合と同様に、負荷側回路で使用する冷媒（ｃｈ４は純水冷媒、ｃｈ９はフッ素系冷媒）が異なるだけであるので、子チラー装置ｃｈ９の図示および説明は省略する。
【００４３】
図７に示す子チラー装置ｃｈ５は、一次冷却水循環回路Ｃｗ５ 、Ｃｗ５ ´が設けられている以外は、図１１に示すチラー装置３００と同様の構成で、メインタンク９９に貯留されたフッ素系冷媒により負荷側回路Ｃ３５ の冷媒を冷却する。一次冷却水循環回路Ｃｗ５ 、Ｃｗ５ ´には、一次冷却水バイパス流路９０、１１０が設けられている。一次側回路Ｃ１５ の冷媒を冷却する必要がないとき、あるいは負荷側回路Ｃ３５ の冷媒の粗熱を除去する必要がないときには、一次冷却水がこれらのバイパス流路９０、１１０により屋外冷却器１０に戻される。このようにすると、高価なフッ素系冷媒を親チラー装置ｐ１で全て賄う必要がなくなり、且つ半導体製造システム２の仕様に応じて、温度制御の精度が高い単独のチラー装置を用いることができる。
【００４４】
図８に示すように、親チラー装置ｐ１、ｐ２、および子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９に取り付けられた温度センサの出力は、温度調節器１２０に入力される。シーケンサ１２１は、温度調節器１２０から送信される各部の温度情報に基づいて、冷却器、制御バルブ、ヒータ、およびペルチェ素子に対して前述のような制御を行う。
【００４５】
なお、子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ５、ｃｈ６、およびｃｈ７の負荷側回路として、図９に示す負荷側回路Ｃ３１０を用いてもよい。この負荷側回路Ｃ３１０では、抵抗バルブ１３７の抵抗に抗して供給流路１３１から供給される冷媒が、ポンプ１３０により循環される。バイパス流路１３３は、負荷側回路Ｃ３１０に供給する直前で冷媒が戻されるように、抵抗バルブ１３７の直前に配置されている。抵抗バルブ１３７を通過しない冷却水は、このバイパス流路１３３および戻り流路１３２を介して冷媒供給源に戻される。
【００４６】
制御バルブ１３５は、負荷Ｗ１０の下流側に配置されている。負荷側回路Ｃ３１０では、この制御バルブ１３５の開度に応じて負荷Ｗ１０で加熱された冷媒を引き抜き、引き抜いた分の冷媒を供給流路１３１から供給する。このようにすると、二次側冷媒と負荷側冷媒とを合流させて混合する混合タンクが不要になり、混合タンクによって負荷側回路の温度追随性を阻害されることが抑制される。なお、この場合、上記実施形態で混合タンクに組み込まれるヒータは、ポンプ１３０の前後に配置すればよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明のチラー装置によれば、負荷側回路に供給する直前で二次側冷媒が戻されるように冷媒バイパス流路を配置したので、複数の負荷を冷却する際に、各々の設定温度に各負荷側回路の冷媒温度を速やかに追随させることができる。したがって、温度制御の精度が向上するとともに、装置の省エネルギー化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のチラー装置を適用した半導体製造システムの概略図である。
【図２】半導体製造システムの配管系統を示すブロック図である。
【図３】親チラー装置の構成を示す回路図である。
【図４】子チラー装置ｃｈ１の構成を示す回路図である。
【図５】子チラー装置ｃｈ３の構成を示す回路図である。
【図６】子チラー装置ｃｈ４の構成を示す回路図である。
【図７】子チラー装置ｃｈ５の構成を示す回路図である。
【図８】チラー装置の制御手順を示すブロック図である。
【図９】負荷側回路の別の実施形態を示す回路図である。
【図１０】従来のチラー装置を示す回路図である。
【図１１】従来のチラー装置を示す回路図である。
【符号の説明】
２ 半導体製造システム
１０ 屋外冷却器
１１ 一次冷却水配管
１１ａ 冷却水供給流路
１１ｂ 冷却水戻り流路
１２ 純水冷媒配管
１２ａ 純水冷媒供給流路
１２ｂ 純水冷媒戻り流路
１３ フッ素系冷媒配管
１３ａ フッ素系冷媒供給流路
１３ｂ フッ素系冷媒戻り流路
１４ａ〜１４ｎ 分岐冷却水供給流路
１５ａ〜１５ｎ 分岐冷却水戻り流路
１６ａ、１６ｂ 分岐純水冷媒供給流路
１７ａ、１７ｂ 分岐純水冷媒戻り流路
１８ａ、１８ｂ 分岐フッ素系冷媒供給流路
１９ａ、１９ｂ 分岐フッ素系冷媒戻り流路
２５ａ、２５ｂ メインタンク
３０ 純水冷媒バイパス流路
３２、３７ 制御バルブ
３５ 冷却水バイパス流路
４４ 混合タンク
８１ ペルチェ素子
１２０ 温度調節器
１２１ シーケンサ
ｐ１、ｐ２ 親チラー装置
ｃｈ１〜ｃｈ９ 子チラー装置
Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ１５ 、Ｃ１１０ 一次側回路
Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２５ 、Ｃ２１０ 二次側回路
Ｃ３１ 、Ｃ３３ 、Ｃ３４ 、Ｃ３５ 、Ｃ３１０ 負荷側回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置などで負荷の温度制御を行うチラー装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造・加工工程では、製膜する半導体層の膜質や、半導体層に打ち込む不純物の濃度などを均一に保つために、基板であるウエハーの温度管理を厳密に行う必要がある。従来の半導体製造装置では、例えば図１０に示すチラー装置２００を用いて、各工程毎に温度管理を行っている（特許文献１参照）。
【０００３】
チラー装置２００は、冷却器２０１、および冷媒を循環するポンプ２０２を備えた一次側回路Ｃ１と、熱交換器２０３を介して一次側回路Ｃ１の冷媒と熱交換する冷媒を循環するポンプ２０４、バッファタンク２０５、および抵抗流路２０６を備えた二次側回路Ｃ２と、負荷Ｗを冷却する負荷側の冷媒を循環するポンプ２０７、および抵抗流路２０８を備えた負荷側回路Ｃ３とから構成される。
【０００４】
二次側回路Ｃ２と負荷側回路Ｃ３とは、連絡流路２０９、２１０により接続されている。連絡流路２１０には、この連絡流路２１０を流れる冷媒の流量を制御する制御バルブ２１１が設けられている。制御バルブ２１１の開度は、負荷Ｗの温度を検出する温度調節器２１２からの出力信号に応じて制御される。このようにすると、温度制御の精度が向上し、負荷Ｗの温度変動が大きな場合でも迅速に対応することができる。また、装置全体が小型化され、設置条件の自由度が増すという利点がある。
【０００５】
チラー装置２００では、二次側回路Ｃ２の冷媒温度を負荷側回路Ｃ３の冷媒の設定温度よりも僅かに低い一定温度（例えば設定温度−３℃±１〜０．５℃）に制御している。このため、冷却器２０１を常時運転して、一次側回路Ｃ１のホットガスバイパス制御、または冷却器２０１のインバータ制御により、熱交換器２０３へ供給される一次側回路Ｃ１の冷媒温度を制御するとともに、負荷側回路Ｃ３の冷媒温度が設定温度よりも下回らないように、負荷側回路Ｃ３の冷媒をヒータ２１３により頻繁に加熱する必要があり、膨大なエネルギーを消費していた。
【０００６】
上記のような問題点を解決するために、本発明者は、図１１に示すようなチラー装置３００を考案した。このチラー装置３００は、冷却器３０１、および冷媒を循環するポンプ３０２を備えた一次側回路Ｃ１と、熱交換器３０３を介して一次側回路Ｃ１の冷媒と熱交換する冷媒を循環するポンプ３０４、バイパス流路３０５、および供給流路３０６を備えた二次側回路Ｃ２と、負荷Ｗを冷却する負荷側の冷媒を循環するポンプ３０７、および混合タンク３０８を備えた負荷側回路Ｃ３とから構成される。
【０００７】
供給流路３０６には、制御バルブ３０９が設けられている。この制御バルブ３０９の下流側は、混合タンク３０８に接続されている。混合タンク３０８は、流路３１０を介してメインタンク３１１に接続され、ポンプ３０７の吸い込み流路３１２と負荷Ｗの下流側の戻り流路３１３とに接続している。バイパス流路３０５には、バルブ３１４が設けられており、このバルブ３１４の下流側はメインタンク３１１に接続されている。
【０００８】
制御バルブ３０９の開度は、負荷Ｗの温度を検出する温度センサ３１５が接続されたコントローラ３１６からの出力信号に応じて制御される。コントローラ３１６には、温度センサ３１５の他に、メインタンク３１１から流出する冷媒の温度を検出する温度センサ３１７、一次側回路Ｃ１の冷却器３０１、およびポンプ３０２が接続されている。このコントローラ３１６は、温度センサ３１７からの検出信号に応じて、この温度が予め設定した下限設定温度に冷却されるまで冷却器３０１およびポンプ３０２を作動させ、下限設定温度まで下がった時点でこれらの作動を停止させる。これにより、装置の省エネルギー化を実現させることができる。
【０００９】
【特許文献１】
特許第３０９５３７７号
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のようなチラー装置３００で複数の負荷を冷却する場合、異なった設定温度をもつ複数の負荷側回路に対して、これらの設定温度の全てよりも低い温度に二次側回路Ｃ２の冷媒温度を冷却すれば、バルブ制御により各々の負荷側回路に流入する冷媒の流量を調節することによって温度制御が可能となる。この場合、負荷側回路Ｃ３の冷媒が設定温度にあるときには、負荷側回路Ｃ３の冷媒をこれ以上冷却しないために、制御バルブを閉じ、冷媒をバイパス流路からメインタンクに戻す必要がある。しかしながら、チラー装置３００では、二次側回路Ｃ２にバイパス流路３０５が設けられているため、複数の負荷を冷却する際の各負荷側回路の温度追随性を考慮すると、好ましい態様とは言い難い。
【００１１】
本発明は、複数の負荷を冷却する際、各々の設定温度に各負荷側回路の冷媒温度を速やかに追随させることができるチラー装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、冷却器と、冷却器により冷却された一次側冷媒が循環される一次側回路と、一次側冷媒と熱交換する二次側冷媒が貯留されるタンクと、二次側冷媒が循環される二次側回路と、負荷を冷却する負荷側冷媒が循環される複数の負荷側回路とを備えたチラー装置において、前記二次側回路を、前記タンクから負荷側回路に向けて二次側冷媒を供給する冷媒供給流路と、冷媒供給流路を経由した二次側冷媒を前記タンクに戻す冷媒戻り流路と、前記冷媒供給流路から分岐して、負荷側回路に二次側冷媒を供給する分岐冷媒供給流路と、前記冷媒戻り流路から分岐して、負荷側回路から二次側冷媒を戻す分岐冷媒戻り流路と、負荷側回路で使用されない二次側冷媒を、前記分岐冷媒供給流路から冷媒戻り流路に戻す冷媒バイパス流路とから構成するとともに、前記負荷側回路に供給する直前で二次側冷媒が戻されるように、前記冷媒バイパス流路を配置したことを特徴とする。
【００１３】
また、前記複数の負荷側回路の少なくとも一部に、冷却水と熱交換することにより負荷側冷媒を冷却する熱交換手段を設け、前記熱交換手段を、冷却水冷却器と、この冷却水冷却器から前記複数の負荷側回路に向けて冷却水を供給する冷却水供給流路と、冷却水供給流路を経由した冷却水を冷却水冷却器に戻す冷却水戻り流路と、冷却水供給流路から分岐して、前記複数の負荷側回路の少なくとも一部に冷却水を供給する分岐冷却水供給流路と、冷却水戻り流路から分岐して、前記複数の負荷側回路の少なくとも一部から冷却水を戻す分岐冷却水戻り流路と、前記分岐冷却水供給流路から供給される冷却水のうち、熱交換に使用されない冷却水を前記分岐冷却水戻り流路に戻す冷却水バイパス流路とから構成し、前記負荷側回路の熱交換器に供給する直前で冷却水が戻されるように、前記冷却水バイパス流路を配置したことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のチラー装置を適用した半導体製造システムの構成を示す。半導体製造システム２は、半導体製造装置ｓ１〜ｓ９と、親チラー装置ｐ１、ｐ２と、子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９とからなり、塵埃・温湿度管理されたクリーンルーム内に設置されている。半導体製造装置ｓ１〜ｓ９は、半導体膜を製膜するＣＶＤまたはＰＶＤ装置や、真空蒸着装置、半導体に不純物を打ち込むインプラント装置などから構成される。親チラー装置ｐ１、ｐ２には、それぞれ純水冷媒、フッ素系冷媒を用いたものを例示している。
【００１５】
子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９は、半導体製造装置ｓ１〜ｓ９の負荷Ｗ１〜Ｗ９（図４〜７参照）の温度が、各々の設定温度となるように温度制御する。親チラー装置ｐ１、ｐ２、および子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９には、クリーンルーム外に設置された屋外冷却器１０からの一次冷却水が循環する一次冷却水配管１１が接続されている。また、子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ６には、親チラー装置ｐ１からの純水冷媒が循環する純水冷媒配管１２（破線で示す）が接続され、子チラー装置ｃｈ２、ｃｈ７には、親チラー装置ｐ２からのフッ素系冷媒が循環するフッ素系冷媒配管１３（一点鎖線で示す）が接続されている。
【００１６】
半導体製造システム２の配管系統を示す図２において、一次冷却水配管１１は、親チラー装置ｐ２、ｐ１、子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９の近傍を経由して配管される冷却水供給流路１１ａと、この冷却水供給流路１１ａとは逆に、子チラー装置ｃｈ９〜ｃｈ１、親チラー装置ｐ１、ｐ２の順に一次冷却水が戻される冷却水戻り流路１１ｂとからなり、これらの流路１１ａ、１１ｂを介して一次冷却水が屋外冷却器１０に循環されるように構成されている。冷却水戻り流路１１ｂを経由して屋外冷却器１０に戻された一次冷却水は、屋外冷却器１０で再度冷却され、流路１１ａ、１１ｂで再度循環される。
【００１７】
屋外冷却器１０から供給される一次冷却水は、冷却水供給流路１１ａから分岐した分岐冷却水供給流路１４ａ〜１４ｎを介して親チラー装置ｐ１、ｐ２、および子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９に各々供給される。また、これら親チラー装置ｐ１、ｐ２、および子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９からは、冷却水戻り流路１１ｂに一次冷却水を戻す分岐冷却水戻り流路１５ａ〜１５ｎが配設されている。ここで、子チラー装置ｃｈ３、ｃｈ５およびｃｈ８には、分岐冷却水供給流路および分岐冷却水戻り流路が２系統（ｃｈ３では１４ｅ、１５ｅおよび１４ｆ、１５ｆ、ｃｈ５では１４ｈ、１５ｈおよび１４ｉ、１５ｉ、ｃｈ８では１４ｌ、１５ｌおよび１４ｍ、１５ｍ）設けられており、子チラー装置ｃｈ３、ｃｈ５およびｃｈ８では、この２系統で一次冷却水の供給および戻り動作が行われる。
【００１８】
純水冷媒配管１２は、子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ６の近傍を経由して配管される純水冷媒供給流路１２ａと、この純水冷媒供給流路１２ａとは逆に、子チラー装置ｃｈ６〜ｃｈ１の順に純水冷媒が戻される純水冷媒戻り流路１２ｂとからなり、これらの流路１２ａ、１２ｂを介して純水冷媒が親チラー装置ｐ１に循環されるように構成されている。純水冷媒戻り流路１２ｂを経由して親チラー装置ｐ１に戻された純水冷媒は、親チラー装置ｐ１で再度冷却され、流路１２ａ、１２ｂで再度循環される。
【００１９】
親チラー装置ｐ１から供給される純水冷媒は、純水冷媒供給流路１２ａから分岐した分岐純水冷媒供給流路１６ａ、１６ｂを介して子チラー装置ｃｈ１およびｃｈ６に供給される。また、これら子チラー装置ｃｈ１およびｃｈ６からは、純水冷媒戻り流路１２ｂに純水冷媒を戻す分岐純水冷媒戻り流路１７ａ、１７ｂが配設されている。
【００２０】
フッ素系冷媒配管１３は、子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ７の近傍を経由して配管されるフッ素系冷媒供給流路１３ａと、このフッ素系冷媒供給流路１３ａとは逆に、子チラー装置ｃｈ７〜ｃｈ１の順に供給されたフッ素系冷媒が戻されるフッ素系冷媒戻り流路１３ｂとからなり、これらの流路１３ａ、１３ｂを介してフッ素系冷媒が親チラー装置ｐ２に循環されるように構成されている。フッ素系冷媒戻り流路１３ｂを経由して親チラー装置ｐ２に戻されたフッ素系冷媒は、親チラー装置ｐ２で再度冷却され、流路１３ａ、１３ｂで再度循環される。
【００２１】
親チラー装置ｐ２から供給されるフッ素系冷媒は、フッ素系冷媒供給流路１３ａから分岐した分岐フッ素系冷媒供給流路１８ａ、１８ｂを介して子チラー装置ｃｈ２およびｃｈ７に供給される。また、これら子チラー装置ｃｈ２およびｃｈ７からは、フッ素系冷媒戻り流路１３ｂにフッ素系冷媒を戻す分岐フッ素系冷媒戻り流路１９ａ、１９ｂが配設されている。
【００２２】
ここで、図２の配管系統例は、一次冷却水、純水冷媒およびフッ素系冷媒が、配管１１、１２および１３の各々を循環され、且つ一次冷却水、純水冷媒およびフッ素系冷媒が複数のチラー装置に供給可能となっていること（例えば、一次冷却水は親チラー装置ｐ１、ｐ２、および子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９に、純水冷媒は子チラー装置ｃｈ１およびｃｈ６に、フッ素系冷媒は子チラー装置ｃｈ２およびｃｈ７に各々供給され、戻されること）を示すものであって、親チラー装置ｐ１、ｐ２から、純水冷媒、フッ素系冷媒のどちらも供給されない子チラー装置（ｃｈ３〜ｃｈ５、ｃｈ８およびｃｈ９）も例示されているが、これらの子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９は、同タイプの子チラー装置（例えばｃｈ１、あるいはｃｈ３）であってもよく、その構成は半導体製造システム２の仕様に応じて適宜変更可能である。また、配管１１、１２および１３は、使用する子チラー装置に応じて変更すればよく、例えばｃｈ１、ｃｈ２タイプの子チラー装置のみで構成した場合、全子チラー装置を網羅するように配管１２、１３を配設し、全子チラー装置に対して冷媒を供給するように配設してもよい。さらに、子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９が、純水冷媒、フッ素系冷媒のいずれか一方のみを必要とする構成であった場合は、親チラー装置ｐ１、ｐ２、および配管１２、１３のいずれか一方を省略してもよい。
【００２３】
図３に示すように、親チラー装置ｐ１、ｐ２は、それぞれ一次側回路Ｃ１ａ、Ｃ１ｂと二次側回路Ｃ２ａ、Ｃ２ｂとから構成される。一次側回路Ｃ１ａ、Ｃ１ｂには、圧縮器２０ａ、２０ｂ、凝縮器２１ａ、２１ｂ、膨張弁２２ａ、２２ｂ、および熱交換器２３ａ、２３ｂが設けられている。一次側回路Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ内の冷媒ガスは、圧縮器２０ａ、２０ｂで圧縮されて高温・高圧状態となる。高温・高圧状態となった冷媒ガスは、凝縮器２１ａ、２１ｂにより液化された後、膨張弁２２ａ、２２ｂによりガス化され、熱交換器２３ａ、２３ｂを介して二次側回路Ｃ２ａ、Ｃ２ｂの冷媒を冷却する。なお、これら圧縮器２０ａ、２０ｂ、凝縮器２１ａ、２１ｂ、膨張弁２２ａ、２２ｂ、および熱交換器２３ａ、２３ｂは、冷却器を構成している。
【００２４】
二次側回路Ｃ２ａ、Ｃ２ｂには、二次側ポンプ２４ａ、２４ｂ、メインタンク２５ａ、２５ｂ、および温度センサ２６ａ〜２８ａ、２６ｂ〜２８ｂが設けられている。メインタンク２５ａ、２５ｂには、所定量の純水冷媒およびフッ素系冷媒が貯留されており、純水冷媒戻り流路１２ｂ、フッ素系冷媒戻り流路１３ｂと、二次側ポンプ２４ａ、２４ｂの上流側とが接続されている。メインタンク２５ａ、２５ｂ内の冷媒は、二次側ポンプ２４ａ、２４ｂにより二次側回路Ｃ２ａ、Ｃ２ｂを循環し、熱交換器２３ａ、２３ｂにより冷却された後、純水冷媒供給流路１２ａ、フッ素系冷媒供給流路１３ａを介して子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ６およびｃｈ２、ｃｈ７へと供給される。子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ６およびｃｈ２、ｃｈ７からの冷媒は、各戻り流路１２ｂ、１３ｂを介してメインタンク２５ａ、２５ｂに戻される。
【００２５】
温度センサ２６ａ、２６ｂは、メインタンク２５ａ、２５ｂから流出する冷媒の温度を、温度センサ２７ａ、２７ｂは、熱交換器２３ａ、２３ｂにより冷却された冷媒の温度を、温度センサ２８ａ、２８ｂは、各戻り流路１２ｂ、１３ｂを介してメインタンク２５ａ、２５ｂに戻される冷媒の温度をそれぞれ検出する。これらの温度センサ２６ａ〜２８ａ、２６ｂ〜２８ｂの出力信号は、温度調節器１２０（図８参照）に送信される。
【００２６】
親チラー装置ｐ１、ｐ２の冷媒の温度は、子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ６、ｃｈ７により温度制御される負荷の設定温度よりも低く、且つ後述する制御バルブ３２の開閉で制御することが可能な温度範囲に設定される（例えば子チラー装置の設定温度から−５〜−２０℃）。親チラー装置ｐ１、ｐ２は、メインタンク２５ａ、２５ｂから流出する冷媒の温度を検出する温度センサ２６ａ、２６ｂの出力が設定温度範囲よりも高くなると、一次側回路Ｃ１ａ、Ｃ１ｂの冷却器および二次側ポンプ２４ａ、２４ｂを作動させ、設定温度の下限値に達した時点でこれらの作動を停止させる。
【００２７】
図４に示すように、子チラー装置ｃｈ１は、冷媒循環回路Ｃｒ１ と、一次冷却水循環回路Ｃｗ１ と、負荷側回路Ｃ３１ とから構成される。冷媒循環回路Ｃｒ１ には、前述の分岐純水冷媒供給流路１６ａ、分岐純水冷媒戻り流路１７ａの他に、純水冷媒バイパス流路３０、温度センサ３１、制御バルブ３２、および抵抗バルブ３３、３４が設けられている。純水冷媒バイパス流路３０は、負荷側回路Ｃ３１ に供給する直前で純水冷媒が戻されるように、制御バルブ３２の直前に配置され、分岐純水冷媒供給流路１６ａと純水冷媒戻り流路１２ｂとを接続している。制御バルブ３２を通過しない純水冷媒は、この純水冷媒バイパス流路３０および純水冷媒戻り流路１２ｂを介してメインタンク２５ａに戻される。
【００２８】
温度センサ３１は、分岐純水冷媒供給流路１６ａを通過する冷媒の温度を検出する。制御バルブ３２は、負荷側回路Ｃ３１ の冷媒温度および設定温度に応じて開度を調節し、負荷側回路Ｃ３１ に供給する冷媒の流量を制御する。すなわち、負荷側回路Ｃ３１ の冷媒の温度を検出する温度センサ４１の出力に応じて、負荷側回路Ｃ３１ の設定温度となるように冷媒を供給する。したがって、制御バルブ３２は、全開または全閉となる場合がある。抵抗バルブ３３、３４は、冷媒の供給量に応じて分岐純水冷媒戻り流路１７ａに戻される冷媒、および純水冷媒バイパス流路３０を通過する制御バルブ３２に供給されなかった冷媒を戻すときの抵抗として作用する。なお、制御バルブ３２としては、微小流量から大流量まで高精度な制御が可能なニードル式のバルブ、例えば株式会社鷺宮製作所製の汎用型電子膨張弁ＰＫＶ形またはＥＫＶ形が用いられる。
【００２９】
一次冷却水循環回路Ｃｗ１ には、前述の分岐冷却水供給流路１４ｃ、分岐冷却水戻り流路１５ｃの他に、冷却水バイパス流路３５、温度センサ３６、制御バルブ３７、抵抗バルブ３８、および熱交換器３９が設けられている。制御バルブ３７は、温度センサ３６、４２により制御され、温度センサ４２の出力が温度センサ３６の出力よりも高温であることを条件として開き、その逆の場合は閉じられる。冷却水バイパス流路３５は、制御バルブ３７が閉じられたときに、負荷側回路Ｃ３１ に供給する直前で冷却水が戻されるように、制御バルブ３７の直前に配置され、分岐冷却水供給流路１４ｃと分岐冷却水戻り流路１５ｃとを接続している。制御バルブ３７を通過しない冷却水は、この冷却水バイパス流路３５、分岐冷却水戻り流路１５ｃ、および冷却水戻り流路１１ｂを介して屋外冷却器１０に戻される。
【００３０】
温度センサ３６は、分岐冷却水供給流路１４ｃを通過する一次冷却水の温度を検出する。制御バルブ３７は、負荷側回路Ｃ３１ の冷媒温度および設定温度に応じて開度を調節し、熱交換器３９に供給する一次冷却水の流量を制御する。抵抗バルブ３８は、冷却水バイパス流路３５を通過する一次冷却水の抵抗として作用する。負荷側回路Ｃ３１ の冷媒は、熱交換器３９を介して制御バルブ３７を通過した一次冷却水に冷却され、粗熱を除去される。これにより、二次側回路Ｃ２ａの冷媒温度が高くなることが少なくなり、延いては二次側回路Ｃ２ａの冷媒温度を設定温度範囲内に長時間保つことができる。したがって、一次側回路Ｃ１ａの冷却器が作動する時間をより短くすることができ、装置の省エネルギー化をさらに促進させることが可能となる。
【００３１】
負荷側回路Ｃ３１ には、負荷Ｗ１を冷却する負荷側の冷媒を循環する負荷側ポンプ４０、温度センサ４１〜４３、および混合タンク４４が設けられている。温度センサ４１は、負荷側ポンプ４０から流出する冷媒の温度を、温度センサ４２は、負荷Ｗ１の戻り側の冷媒の温度を、温度センサ４３は、熱交換器３９により冷却された冷媒の温度をそれぞれ検出する。これらの温度センサ４１〜４３の出力信号は、温度調節器１２０（図８参照）に送信される。
【００３２】
子チラー装置ｃｈ１は、温度センサ４１の出力（負荷側回路Ｃ３１ の冷媒温度）が予め設定された温度であるとき、または温度センサ４１および４３の出力が同一であるときには、制御バルブ３２を閉じて負荷側回路Ｃ３１ の冷媒がそれ以上冷却されないようにする。一方、温度センサ４１の出力が設定温度以上になった場合は、温度センサ３１の出力を考慮しながら制御バルブ３２を開き、二次側回路Ｃ２ａの冷媒を混合タンク４４に導入する。
【００３３】
一次冷却水循環回路Ｃｗ１ は、温度センサ４２の出力（負荷Ｗ１の戻り側の冷媒温度）が設定温度よりも高く、且つ温度センサ３６の出力（分岐冷却水供給流路１４ｃを通過する一次冷却水の温度）が温度センサ４２の出力よりも低い場合に、制御バルブ３７を開いて一次冷却水を熱交換器３９に導入する。
【００３４】
混合タンク４４は、制御バルブ３２を介して供給される冷媒と、負荷側回路Ｃ３１ の冷媒とを混合して負荷側回路Ｃ３１ に供給する。なお、この混合タンク４４内には、温度センサ４１の出力が設定温度を下回ったときに作動する図示しないヒータが組み込まれている。
【００３５】
混合タンク４４には、予備タンク４５が接続されている。この予備タンク４５には、純水冷媒が貯留されており、運転開始時に負荷側回路Ｃ３１ に冷媒を供給するとともに、配管のガス抜きを行うために設けられている。また、必要に応じて制御バルブ３２を閉じた状態で使用すれば、後述する子チラー装置ｃｈ４、ｃｈ９と同様の構成となり、子チラー装置ｃｈ１を親チラー装置ｐ１と切り離して、単独のチラー装置として稼働させることができる。したがって、負荷側回路Ｃ３１ の冷媒の種類を代える際に、極めて有用な構成であると言える。なお、予備タンク４５は、子チラー装置ｃｈ１よりも上側に配置することが好ましい。
【００３６】
次に、図３および図４を参照して、子チラー装置ｃｈ１の動作について説明する。半導体製造システム２の運転開始とともに、一次側回路Ｃ１ａの冷却器、二次側ポンプ２４ａ、および負荷側ポンプ４０が駆動される。冷却器により冷却された一次側回路Ｃ１ａの冷媒は、熱交換器２３ａを介して二次側回路Ｃ２ａの冷媒を冷却する。このとき、温度センサ４１で検出される冷媒の温度（負荷Ｗ１に供給される冷媒の温度）が設定温度以下であった場合、制御バルブ３２は閉じられ、冷媒は純水冷媒バイパス流路３０を経由してメインタンク２５ａに戻される。負荷側回路Ｃ３１ では、二次側回路Ｃ２ａの冷媒との熱交換は行われず、負荷側ポンプ４０により冷媒が循環した状態となる。
【００３７】
一方、温度センサ４１で検出される冷媒の温度が、設定温度以上になった場合、シーケンサ１２１（図８参照）から検出温度に応じたパルス信号が出力され、制御バルブ３２の開度が調節される。制御バルブ３２が開くと、その開度に応じた流量の冷媒が混合タンク４４に流入する。制御バルブ３２を通過しない冷媒は、純水冷媒バイパス流路３０を経由してメインタンク２５ａに戻される。
【００３８】
混合タンク４４内では、二次側回路Ｃ２ａから流入した冷媒と負荷側回路Ｃ３１ の冷媒とが合流して混合される。混合された冷媒は、混合タンク４４から負荷側ポンプ４０に吸い込まれ、負荷Ｗ１を設定温度となるように冷却する。負荷Ｗ１を冷却した冷媒は、一次冷却水循環回路Ｃｗ１ で粗熱を除去された後、二次側回路Ｃ２ａから流入した冷媒の流量に相当する流量で再び混合タンク４４、分岐純水冷媒戻り流路１７ａを経由してメインタンク２５ａに戻される。
【００３９】
ここで、子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ６、およびｃｈ７は同様の構成であり、ｃｈ１、ｃｈ６は純水冷媒を、ｃｈ２、ｃｈ７はフッ素系冷媒を用いている点が異なるだけであるので、ｃｈ１のみを図示し、その他の装置の説明および図示は省略する。
【００４０】
図５に示すように、子チラー装置ｃｈ３の一次冷却水循環回路Ｃｗ３ には、前述の分岐冷却水供給流路１４ｅ、分岐冷却水戻り流路１５ｅの他に、冷却水バイパス流路５０、温度センサ５１、制御バルブ５２、抵抗バルブ５３、および熱交換器５４が設けられている。冷却水バイパス流路５０は、負荷側回路Ｃ３３ に供給する直前で冷却水が戻されるように、制御バルブ５２の直前に配置され、分岐冷却水供給流路１４ｅと分岐冷却水戻り流路１５ｅとを接続している。制御バルブ５２を通過しない冷却水は、この冷却水バイパス流路５０、分岐冷却水戻り流路１５ｅ、および冷却水戻り流路１１ｂを介して屋外冷却器１０に戻される。
【００４１】
温度センサ５１は、分岐冷却水供給流路１４ｅを通過する一次冷却水の温度を検出する。制御バルブ５２は、負荷側回路Ｃ３３ の冷媒温度および設定温度に応じて（温度センサ５１、６１の出力を比較することにより）開度を調節し、熱交換器５４に供給する一次冷却水の流量を制御する。抵抗バルブ５３は、冷却水バイパス流路５０を通過する一次冷却水の抵抗として作用する。熱交換器５４は、一次冷却水と負荷側回路Ｃ３３ の冷媒との熱交換を行い、負荷側回路Ｃ３３ の冷媒を冷却する。なお、子チラー装置ｃｈ３は、一次冷却水循環回路Ｃｗ３ を用いて負荷側回路Ｃ３３ の冷媒を冷却する点のみがｃｈ１と異なり、その他の構成および作用はｃｈ１と同一であるので、構成部品には符号のみを付し、説明を省略する。また、子チラー装置ｃｈ３およびｃｈ８は、負荷側回路で使用する冷媒（ｃｈ３は純水冷媒、ｃｈ８はフッ素系冷媒）が異なるだけであるので、子チラー装置ｃｈ８の図示および説明は省略する。
【００４２】
図６に示す子チラー装置ｃｈ４は、前述のように子チラー装置ｃｈ１で制御バルブ３２を閉じて使用した状態と同様で、ペルチェ素子８１を用いて負荷側回路Ｃ３４ の冷媒の温度調節を行う点のみが異なる。子チラー装置ｃｈ４では、一次冷却水循環回路Ｃｗ４ で負荷側回路Ｃ３４ の冷媒を設定温度にある程度温度制御し、ペルチェ素子８１で負荷側回路Ｃ３４ の冷媒を冷却または加熱して、僅かな温度誤差を補正する。なお、子チラー装置ｃｈ４およびｃｈ９は、子チラー装置ｃｈ３の場合と同様に、負荷側回路で使用する冷媒（ｃｈ４は純水冷媒、ｃｈ９はフッ素系冷媒）が異なるだけであるので、子チラー装置ｃｈ９の図示および説明は省略する。
【００４３】
図７に示す子チラー装置ｃｈ５は、一次冷却水循環回路Ｃｗ５ 、Ｃｗ５ ´が設けられている以外は、図１１に示すチラー装置３００と同様の構成で、メインタンク９９に貯留されたフッ素系冷媒により負荷側回路Ｃ３５ の冷媒を冷却する。一次冷却水循環回路Ｃｗ５ 、Ｃｗ５ ´には、一次冷却水バイパス流路９０、１１０が設けられている。一次側回路Ｃ１５ の冷媒を冷却する必要がないとき、あるいは負荷側回路Ｃ３５ の冷媒の粗熱を除去する必要がないときには、一次冷却水がこれらのバイパス流路９０、１１０により屋外冷却器１０に戻される。このようにすると、高価なフッ素系冷媒を親チラー装置ｐ１で全て賄う必要がなくなり、且つ半導体製造システム２の仕様に応じて、温度制御の精度が高い単独のチラー装置を用いることができる。
【００４４】
図８に示すように、親チラー装置ｐ１、ｐ２、および子チラー装置ｃｈ１〜ｃｈ９に取り付けられた温度センサの出力は、温度調節器１２０に入力される。シーケンサ１２１は、温度調節器１２０から送信される各部の温度情報に基づいて、冷却器、制御バルブ、ヒータ、およびペルチェ素子に対して前述のような制御を行う。
【００４５】
なお、子チラー装置ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ５、ｃｈ６、およびｃｈ７の負荷側回路として、図９に示す負荷側回路Ｃ３１０を用いてもよい。この負荷側回路Ｃ３１０では、抵抗バルブ１３７の抵抗に抗して供給流路１３１から供給される冷媒が、ポンプ１３０により循環される。バイパス流路１３３は、負荷側回路Ｃ３１０に供給する直前で冷媒が戻されるように、抵抗バルブ１３７の直前に配置されている。抵抗バルブ１３７を通過しない冷却水は、このバイパス流路１３３および戻り流路１３２を介して冷媒供給源に戻される。
【００４６】
制御バルブ１３５は、負荷Ｗ１０の下流側に配置されている。負荷側回路Ｃ３１０では、この制御バルブ１３５の開度に応じて負荷Ｗ１０で加熱された冷媒を引き抜き、引き抜いた分の冷媒を供給流路１３１から供給する。このようにすると、二次側冷媒と負荷側冷媒とを合流させて混合する混合タンクが不要になり、混合タンクによって負荷側回路の温度追随性を阻害されることが抑制される。なお、この場合、上記実施形態で混合タンクに組み込まれるヒータは、ポンプ１３０の前後に配置すればよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、本発明のチラー装置によれば、負荷側回路に供給する直前で二次側冷媒が戻されるように冷媒バイパス流路を配置したので、複数の負荷を冷却する際に、各々の設定温度に各負荷側回路の冷媒温度を速やかに追随させることができる。したがって、温度制御の精度が向上するとともに、装置の省エネルギー化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のチラー装置を適用した半導体製造システムの概略図である。
【図２】半導体製造システムの配管系統を示すブロック図である。
【図３】親チラー装置の構成を示す回路図である。
【図４】子チラー装置ｃｈ１の構成を示す回路図である。
【図５】子チラー装置ｃｈ３の構成を示す回路図である。
【図６】子チラー装置ｃｈ４の構成を示す回路図である。
【図７】子チラー装置ｃｈ５の構成を示す回路図である。
【図８】チラー装置の制御手順を示すブロック図である。
【図９】負荷側回路の別の実施形態を示す回路図である。
【図１０】従来のチラー装置を示す回路図である。
【図１１】従来のチラー装置を示す回路図である。
【符号の説明】
２ 半導体製造システム
１０ 屋外冷却器
１１ 一次冷却水配管
１１ａ 冷却水供給流路
１１ｂ 冷却水戻り流路
１２ 純水冷媒配管
１２ａ 純水冷媒供給流路
１２ｂ 純水冷媒戻り流路
１３ フッ素系冷媒配管
１３ａ フッ素系冷媒供給流路
１３ｂ フッ素系冷媒戻り流路
１４ａ〜１４ｎ 分岐冷却水供給流路
１５ａ〜１５ｎ 分岐冷却水戻り流路
１６ａ、１６ｂ 分岐純水冷媒供給流路
１７ａ、１７ｂ 分岐純水冷媒戻り流路
１８ａ、１８ｂ 分岐フッ素系冷媒供給流路
１９ａ、１９ｂ 分岐フッ素系冷媒戻り流路
２５ａ、２５ｂ メインタンク
３０ 純水冷媒バイパス流路
３２、３７ 制御バルブ
３５ 冷却水バイパス流路
４４ 混合タンク
８１ ペルチェ素子
１２０ 温度調節器
１２１ シーケンサ
ｐ１、ｐ２ 親チラー装置
ｃｈ１〜ｃｈ９ 子チラー装置
Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ１５ 、Ｃ１１０ 一次側回路
Ｃ２ａ、Ｃ２ｂ、Ｃ２５ 、Ｃ２１０ 二次側回路
Ｃ３１ 、Ｃ３３ 、Ｃ３４ 、Ｃ３５ 、Ｃ３１０ 負荷側回路
Claims (2)
- 冷却器と、冷却器により冷却された一次側冷媒が循環される一次側回路と、一次側冷媒と熱交換する二次側冷媒が貯留されるタンクと、二次側冷媒が循環される二次側回路と、負荷を冷却する負荷側冷媒が循環される複数の負荷側回路とを備えたチラー装置において、
前記二次側回路を、前記タンクから負荷側回路に向けて二次側冷媒を供給する冷媒供給流路と、冷媒供給流路を経由した二次側冷媒を前記タンクに戻す冷媒戻り流路と、
前記冷媒供給流路から分岐して、負荷側回路に二次側冷媒を供給する分岐冷媒供給流路と、前記冷媒戻り流路から分岐して、負荷側回路から二次側冷媒を戻す分岐冷媒戻り流路と、
負荷側回路で使用されない二次側冷媒を、前記分岐冷媒供給流路から冷媒戻り流路に戻す冷媒バイパス流路とから構成するとともに、
前記負荷側回路に供給する直前で二次側冷媒が戻されるように、前記冷媒バイパス流路を配置したことを特徴とするチラー装置。 - 前記複数の負荷側回路の少なくとも一部に、冷却水と熱交換することにより負荷側冷媒を冷却する熱交換手段を設け、
前記熱交換手段を、冷却水冷却器と、この冷却水冷却器から前記複数の負荷側回路に向けて冷却水を供給する冷却水供給流路と、
冷却水供給流路を経由した冷却水を冷却水冷却器に戻す冷却水戻り流路と、
冷却水供給流路から分岐して、前記複数の負荷側回路の少なくとも一部に冷却水を供給する分岐冷却水供給流路と、
冷却水戻り流路から分岐して、前記複数の負荷側回路の少なくとも一部から冷却水を戻す分岐冷却水戻り流路と、
前記分岐冷却水供給流路から供給される冷却水のうち、熱交換に使用されない冷却水を前記分岐冷却水戻り流路に戻す冷却水バイパス流路とから構成し、
前記負荷側回路の熱交換器に供給する直前で冷却水が戻されるように、前記冷却水バイパス流路を配置したことを特徴とする請求項１に記載のチラー装置。
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