JP2005195258A

JP2005195258A - 冷凍システム及び真空成膜装置

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Publication number: JP2005195258A
Application number: JP2004002344A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Takahashi; 正幸高橋; Akira Tomosawa; 章友澤
Original assignee: Shin Meiva Industry Ltd
Current assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2005-07-21
Also published as: CN1910411A; CN101504209A; CN101504209B; CN100485285C

Abstract

【課題】沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合した混合冷媒を用いる超低温冷凍機Ｒにおいて、過冷却器３１に対する液冷媒の流量を確保し、クライオコイル３２の冷却効率を増大させる。
【解決手段】クライオコイル３２及びキャピラリチューブ２９が設けられた主冷媒回路３８と、上流端が上記主冷媒回路３８の上流端に分岐接続され、キャピラリチューブ２８が設けられた副冷媒回路３９とに対し、副冷媒回路３９の高さ位置を主冷媒回路３８の高さ位置よりも低くする。過冷却器３１の１次側３１ａから吐出された気液混合状態の冷媒の副冷媒回路３９に流入する流量を主冷媒回路３８への流量よりも多くして、副冷媒回路３９への液冷媒の流量を主冷媒回路３８よりも増加させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍システム及びそれを備えた真空成膜装置に関し、特に、冷凍システムの過冷却器の１次側から吐出された液冷媒を主冷却器と過冷却器の２次側とに分岐させるときに流量の不均等化を図るための対策に関する。

従来より、−１００℃以下の超低温の寒冷を発生させるための冷凍システムとして、沸点温度が異なる複数種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を冷媒回路内に封入したものは知られている。この冷凍システムの冷媒回路は、例えば複数段の熱交換器、複数の気液分離器、及び複数の減圧手段を備えており、各気液分離器では、各熱交換器により凝縮された冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、その分離された液冷媒を減圧手段で減圧させた後に上記各段の熱交換器で蒸発させ、この蒸発熱により上記気液分離器からのガス冷媒を冷却して凝縮する。つまり、各段の熱交換器においてそれぞれ上記混合冷媒を高い沸点の冷媒から低い沸点の冷媒まで順に凝縮させる。さらに、最低温度の沸点を有する液冷媒をキャピラリチューブ等の減圧手段で減圧させた後に蒸発させる冷却器が設けられていて、この冷却器での最低沸点の液冷媒の蒸発により−１００℃以下の超低温の寒冷を発生させ、この冷却部の寒冷により冷却対象を冷却するようになっている（例えば特許文献１参照）。

そして、上記減圧手段及び冷却器が設けられた主冷媒回路とは並列に副冷媒回路が分岐接続され、この副冷媒回路に、上記冷却器を主冷却器とする過冷却器（サブクーラ）と、上記減圧手段を主冷却器用減圧手段とする過冷却器用減圧手段とが設けられている。上記過冷却器は、上記凝縮器から吐出された冷媒が流れる１次側と、この１次側の冷媒と熱交換可能な冷媒が流れる２次側とを有する熱交換器からなるもので、１次側の冷媒を２次側の冷媒との熱交換により冷却する。一方、過冷却器用減圧手段は、上記過冷却器の２次側に熱交換のために供給される液冷媒を減圧するものである。
実用新案登録第２５５９２２０号公報

ところで、このように主冷却器と過冷却器とが並列に接続されている冷凍システムでは、通常、主冷却器と過冷却器の２次側とに流れる冷媒の流量が互いに同じになるように設定されている。

しかし、主冷媒回路及び副冷媒回路の分岐部を通って主冷却器と過冷却器の２次側とに向かう冷媒は全て液冷媒で構成されているのではなく、一部にガス冷媒を含んだ気液混合状態の冷媒が供給されており、上記のように主冷却器及び過冷却器へ流れる冷媒の流量が互いに同じになるように設定されているとはいえ、過冷却器の２次側への液冷媒の流量が少ない場合、その１次側のガス冷媒に対する冷却不足が生じ、その分、過冷却器により液化される液冷媒の流量が減少して主冷却器の冷却効率の低下を招く。その結果、主冷却器により冷却される冷却対象の負荷変動があると、その負荷変動に抗して冷却対象を安定して冷却できなくなったり、或いは主冷却器により冷却対象を常温から超低温レベルに冷却するまでのクールダウン時間が長くなったりする等の問題が生じる。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的は、上記の主冷却器と過冷却器の２次側とに対する各冷媒流量を適正に調整することで、過冷却器に対する液冷媒の流量を安定して十分に確保し、主冷却器の冷却効率を増大させて、冷却対象を負荷変動に抗して安定して冷却し、冷却対象を常温から超低温レベルに冷却するまでのクールダウン時間を短縮することにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、主冷却器及び過冷却器への液冷媒の流量に差異を付け、過冷却器の２次側に流れる液冷媒の流量を主冷却器よりも多くするようにした。

具体的には、請求項１の発明の冷凍システムは、冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から吐出された冷媒を冷却して凝縮する凝縮手段と、この凝縮手段から吐出された冷媒が流れる１次側、及び該１次側から吐出されかつ過冷却器用減圧手段により減圧された冷媒が流れる２次側を有し、１次側の冷媒を２次側の冷媒との熱交換により冷却する過冷却器と、この過冷却器の１次側から吐出されかつ主冷却器用減圧手段により減圧された冷媒を蒸発させて冷却対象を冷却する主冷却器と、上記過冷却器の１次側から吐出された冷媒のうち、過冷却器の２次側に流れる液冷媒の流量を主冷却器への液冷媒の流量よりも多くする過冷却器冷媒流量増加手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明の冷凍システムは、沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から吐出された混合冷媒のうちの高沸点冷媒を冷却して凝縮する凝縮器と、この凝縮器から吐出された混合冷媒を高沸点冷媒から低沸点冷媒へ順に液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器と、この各気液分離器で分離されたガス冷媒を、該各気液分離器で分離された後に減圧手段で減圧された液冷媒との熱交換により冷却する複数段のカスケード熱交換器と、この最終段のカスケード熱交換器から吐出された低沸点冷媒が流れる１次側、及び該１次側から吐出されかつ過冷却器用減圧手段により減圧された低沸点冷媒が流れる２次側を有し、１次側の低沸点冷媒を２次側の低沸点冷媒との熱交換により冷却する過冷却器と、この過冷却器の１次側から吐出されかつ主冷却器用減圧手段により減圧された低沸点冷媒を蒸発させて冷却対象を超低温レベルに冷却する主冷却器と、上記過冷却器の１次側から吐出された冷媒のうち、過冷却器の２次側に流れる液冷媒の流量を主冷却器への液冷媒の流量よりも多くする過冷却器冷媒流量増加手段とを備えたことを特徴とする。

これら各発明の構成によると、過冷却器の２次側に流れる液冷媒の流量が主冷却器への液冷媒の流量よりも多いので、その過冷却器の１次側のガス冷媒に対する十分な冷却が保たれ、この過冷却器により液化される液冷媒の流量が増加して主冷却器の冷却効率が向上する。このことから、主冷却器により冷却される冷却対象の負荷変動があっても、その冷却対象を安定して冷却できるとともに、冷却対象を常温から超低温レベルに迅速に冷却してクールダウン時間を短縮することができる。

請求項３の発明では、上記過冷却器冷媒流量増加手段は、主冷却器及び主冷却器用減圧手段が設けられた主冷媒回路と、上流端が該主冷媒回路の上流端に分岐接続され、過冷却器用減圧手段が設けられた副冷媒回路とに対し、上記副冷媒回路の最小断面積が主冷媒回路の最大断面積よりも大きい構造を有することを特徴とする。

このことで、過冷却器の１次側から吐出された冷媒が主冷媒回路及び副冷媒回路に分かれて流れる際、その副冷媒回路の最小断面積が主冷媒回路の最大断面積よりも大きいので、全体から見て、気液混合状態の冷媒の副冷媒回路に流入する流量が主冷媒回路に流入する流量よりも多くなり、それに比例して副冷媒回路への液冷媒の流量が主冷媒回路への流量よりも増加する。従って、過冷却器の１次側のガス冷媒に対する十分な冷却が得られ、この過冷却器で液化される液冷媒の流量が増加して主冷却器の冷却効率が向上する。

請求項４の発明では、過冷却器冷媒流量増加手段は、主冷却器及び主冷却器用減圧手段が設けられた主冷媒回路と、上流端が該主冷媒回路の上流端に分岐接続され、過冷却器用減圧手段が設けられた副冷媒回路とに対し、上記主冷媒回路と副冷媒回路との分岐部における上記副冷媒回路の最高高さ位置が主冷媒回路の最低高さ位置よりも低い構造を有することを特徴とする。

こうすれば、過冷却器の１次側から吐出された冷媒が主冷媒回路及び副冷媒回路に分かれて流れる際、それらの分岐部における副冷媒回路の最高高さ位置が主冷媒回路の最低高さ位置よりも低いので、気液混合状態の冷媒のうちの液冷媒が、相対的に高さの低い副冷媒回路に多く流入するようになり、副冷媒回路への液冷媒の流量が主冷媒回路への流量よりも増加する。従って、過冷却器の１次側のガス冷媒に対する十分な冷却が保たれ、この過冷却器で液化される液冷媒の流量が増加して主冷却器の冷却効率が向上する。

また、主冷媒回路及び副冷媒回路に高さの差異を付けるだけでよく、断面積の異なる通路を形成しなくてもよいので、簡単な構造で上記効果が得られる。

請求項５の発明では、上記請求項３の冷凍システムにおいて、過冷却器冷媒流量増加手段は、主冷媒回路と副冷媒回路との分岐部における副冷媒回路の最高高さ位置が主冷媒回路の最低高さ位置よりも低い構造を有する。このことで、上記請求項３及び４の発明の作用効果を相乗的に奏することができ、主冷却器の冷却効率をさらに一層向上させることができる。

請求項６の発明の真空成膜装置は、請求項１〜５のいずれか１つの冷凍システムを備え、この冷凍システムの主冷却器により真空チャンバ内の気体及び水分を冷却により凍結させるように構成されていることを特徴とする。このことで、真空成膜装置における真空チャンバ内の気体及び水分を凍結して、安定した真空状態が得られるとともに、クールダウン時間の短縮により真空チャンバ内を短時間で排気して成膜効率を向上させることができる。

以上説明したように、請求項１又は２の発明によると、冷却対象を冷却する主冷却器と、１次側の冷媒を２次側の冷媒で冷却する過冷却器とを備えた冷凍システムに対し、過冷却器の２次側に流れる液冷媒の流量を主冷却器への液冷媒の流量よりも多くする過冷却器冷媒流量増加手段を設けたことにより、過冷却器の１次側のガス冷媒に対する十分な冷却を確保して、主冷却器の冷却効率を向上させることができ、冷却対象の冷却安定化や冷却対象の超低温レベルまでのクールダウン時間の短縮化等を図ることができる。

請求項３の発明によれば、主冷却器及び主冷却器用減圧手段が設けられた主冷媒回路と、この主冷媒回路に分岐接続され、過冷却器用減圧手段が設けられた副冷媒回路とに対し、副冷媒回路の最小断面積を主冷媒回路の最大断面積よりも大きくしたことにより、過冷却器の１次側から吐出された冷媒が主冷媒回路及び副冷媒回路に分かれて流れる際、気液混合状態の冷媒の副冷媒回路への流量を主冷媒回路への流量よりも多くして、副冷媒回路に流入する液冷媒の流量を主冷媒回路よりも増加でき、上記過冷却器冷媒流量増加手段を具体化することができる。

請求項４の発明によると、主冷却器及び主冷却器用減圧手段が設けられた主冷媒回路と、この主冷媒回路に分岐接続され、過冷却器用減圧手段が設けられた副冷媒回路とに対し、主及び副冷媒回路の分岐部における副冷媒回路の最高高さ位置を主冷媒回路の最低高さ位置よりも低くしたことにより、過冷却器の１次側から吐出された冷媒が主冷媒回路及び副冷媒回路に分かれて流れる際、気液混合状態の冷媒のうちの液冷媒を、相対的に高さの低い副冷媒回路に流入させて、副冷媒回路への液冷媒の流量を主冷媒回路よりも増加でき、簡単な構造でもって、上記過冷却器冷媒流量増加手段を具体化することができる。

請求項５の発明によると、上記請求項３の冷凍システムにおいて、主冷媒回路と副冷媒回路との分岐部における副冷媒回路の最高高さ位置を主冷媒回路の最低高さ位置よりも低くしたことにより、上記請求項３及び４の発明の作用効果が相乗的に得られ、主冷却器の冷却効率をさらに一層向上させることができる。

請求項６の発明の真空成膜装置によると、上記冷凍システムの主冷却器により真空チャンバ内の気体及び水分を冷却により凍結させるようにしたことにより、真空成膜装置における真空チャンバ内の真空状態の安定化、及びクールダウン時間、排気時間の短縮による成膜効率の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
図４は本発明の実施形態に係る真空成膜装置Ａのレイアウトの一例を示し、５０は内部が真空状態に保たれて基板（図示せず）が成膜される真空チャンバで、この真空チャンバ５０には、開閉扉５１により開閉される搬入出口（図示せず）が開口されており、開閉扉５１を開いた状態で、成膜しようとする基板を真空チャンバ５０内に搬入し或いは成膜後の基板を真空チャンバ５０内から搬出する。真空チャンバ５０には連通路５２を介して真空ポンプ５３が接続され、連通路５２の真空チャンバ５０との接続部には、開閉により両者を連通状態又は連通遮断状態に切り換わるゲートバルブ５４が配設されており、開閉扉５１を閉じかつゲートバルブ５４を開いた状態で真空ポンプ５３の作動により真空チャンバ５０内を真空引きするようになっている。

上記真空成膜装置Ａには本発明の冷凍システムを構成する超低温冷凍機Ｒが設けられており、この超低温冷凍機Ｒの後述するクライオコイル３２により、真空ポンプ５３の真空引きの状態で真空チャンバ５０内の冷却対象としての気体（空気やガス）及び水分を直接に超低温レベルまで冷却することにより、その気体等を凍結させて真空チャンバ５０内の真空レベルを上げるようになっている。

一方、図５は真空成膜装置Ａのレイアウトの他の例を示し、冷凍機Ｒのクライオコイル３２は真空チャンバ５０内ではなくて連通路５２の途中に配設されており、真空ポンプ５３による真空引きの状態で超低温冷凍機Ｒにより連通路５２内の気体や水分、つまり間接的に真空チャンバ５０内の気体や水分を冷却して凍結させることで、真空チャンバ５０内の真空レベルを高めるようにしている。その他の構造は図４に示す真空成膜装置Ａと同じである。

上記超低温冷凍機Ｒは、冷媒として沸点温度が互いに異なる５種類又は６種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を用いて−１００℃以下の超低温レベルの寒冷を発生させるものである。

すなわち、図３は超低温冷凍機Ｒの全体構成を示し、１は上記混合冷媒が封入された閉サイクルの冷媒回路で、この冷媒回路１は以下に説明する各種の機器を冷媒配管２で接続してなる。５はガス冷媒を圧縮する圧縮機で、この圧縮機５の吐出部には油分離器６が接続されている。この油分離器６は、圧縮機５から吐出されたガス冷媒中に混入されている圧縮機用潤滑油をガス冷媒から分離するものであり、この分離された潤滑油は図外の油戻し管を経て圧縮機５の吸入側に戻される。上記油分離器６の冷媒吐出部には、圧縮機５からの吐出ガス冷媒を冷却水通路７の冷却水との熱交換により冷却して凝縮する水冷コンデンサ８（凝縮器）が接続されている。水冷コンデンサ８の吐出部には、冷媒中のコンタミネーションを除去するストレーナ９を介して補助コンデンサ１０（凝縮器）の１次側が接続されており、この補助コンデンサ１０において、水冷コンデンサ８からのガス冷媒を圧縮機５に吸入される低温度の２次側の還流冷媒と熱交換して冷却し凝縮する。この実施形態では、水冷コンデンサ８と補助コンデンサ１０とで凝縮器を構成しており、これら両コンデンサ８，１０により、混合冷媒のうち沸点温度が最高温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようになっている。

上記補助コンデンサ１０における１次側の吐出部には第１気液分離器１２が接続され、この第１気液分離器１２で、上記補助コンデンサ１０からの気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。この第１気液分離器１２のガス冷媒吐出部にはカスケードタイプの第１熱交換器１８の１次側が、また液冷媒吐出部には、減圧手段としての第１キャピラリチューブ２４を介して同じ第１熱交換器１８の２次側がそれぞれ接続されており、第１気液分離器１２で分離された液冷媒を第１キャピラリチューブ２４で減圧させた後に第１熱交換器１８の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が２番目に高い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようになっている。

さらに、上記第１熱交換器１８における１次側の吐出部には第２気液分離器１３が接続されており、この第２気液分離器１３において、第１熱交換器１８からの気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。この第２気液分離器１３のガス冷媒吐出部にはカスケードタイプの第２熱交換器１９の１次側が、また液冷媒吐出部には、減圧手段としての第２キャピラリチューブ２５を介して同じ第２熱交換器１９の２次側がそれぞれ接続されており、第２気液分離器１３で分離された液冷媒を第２キャピラリチューブ２５で減圧させた後に第２熱交換器１９の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が３番目に高い温度のガス冷媒を凝縮液化する。

さらに、上記接続構造と同様にして、上記第２熱交換器１９における１次側の吐出部には、第３気液分離器１４、第３熱交換器２０及び第３キャピラリチューブ２６が、また当該第３熱交換器２０における１次側の吐出部には、第４気液分離器１５、第４熱交換器２１及び第４キャピラリチューブ２７がそれぞれ接続されており（これらの接続構造は上記第１気液分離器１２、第１熱交換器１８及び第１キャピラリチューブ２４の接続構造と同じであるので、その詳細な説明は省略する）、第３気液分離器１４で分離された液冷媒を第３キャピラリチューブ２６で減圧させた後に第３熱交換器２０の２次側に供給して蒸発させ、その蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が４番目に高い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するとともに、第４気液分離器１５で分離された液冷媒を第４キャピラリチューブ２７で減圧させた後に第４熱交換器２１の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を熱交換により冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が最も低い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようにしている。

そして、上記第４熱交換器２１における１次側の吐出部には熱交換器からなる過冷却器３１（サブクーラ）の１次側３１ａが接続され、この過冷却器３１の１次側３１ａの吐出部に接続されている冷媒配管２は、途中の分岐管３５で主冷媒配管２ａと副冷媒配管２ｂとに分岐されている。

上記副冷媒配管２ｂの途中には第５キャピラリチューブ２８（過冷却器用減圧手段）が接続されている。また、副冷媒配管２ｂの下流端は同じ過冷却器３１の２次側３１ｂに接続され、この過冷却器３１の２次側３１ｂは冷媒配管２を介して上記第４熱交換器２１の２次側に接続されており、第４熱交換器２１から吐出された冷媒を、過冷却器３１の１次側３１ａに通過させた後、その一部を副冷媒配管２ｂの第５キャピラリチューブ２８で減圧させ、その液冷媒を過冷却器３１の２次側３１ｂに供給して蒸発させ、その蒸発熱により１次側３１ａのガス冷媒を冷却するようにしている。

一方、上記主冷媒配管２ａの途中には、主冷却器用減圧手段としての第６キャピラリチューブ２９とクライオコイル３２とがそれぞれ上流側から直列に接続されている。上記クライオコイル３２は主冷却器を構成するもので、図４又は図５に示すように、上記真空チャンバ５０内の冷却対象としての気体（空気やガス）や水分を冷却する。主冷媒配管２ａの下流端は、上記第４熱交換器２１の２次側と過冷却器３１の２次側３１ｂとの間の冷媒配管２に接続されており、過冷却器３１の１次側３１ａから吐出された冷媒の残部を主冷媒配管２ａの第６キャピラリチューブ２９で減圧させた後にクライオコイル３２に供給して蒸発させ、その蒸発熱により真空チャンバ５０内の気体や水分（冷却対象）を−１００℃以下の温度の超低温レベルに冷却し、その気体や水分を凍結させて真空レベルを高めるようにしている。

また、上記過冷却器３１の２次側（及びクライオコイル３２）と、第４熱交換器２１、第３熱交換器２０、第２熱交換器１９、第１熱交換器１８及び補助コンデンサ１０の各２次側とは記載順に直列に冷媒配管２により接続され、補助コンデンサ１０の２次側は圧縮機５の吸入側に接続されており、混合冷媒において蒸発によってガス化した各冷媒を圧縮機５に吸入させるようにしている。

尚、上記クライオコイル３２を真空チャンバ５０内に配置して、そのクライオコイル３２により真空チャンバ５０内の気体等を直接冷却するようにしているが、クライオコイル３２に代えてブラインクーラ（放熱部）を設け、このブラインクーラを真空チャンバ５０内に位置する吸熱部とブライン回路により接続し、このブラインクーラにおいてブライン回路内のブラインを超低温レベルに冷却して、そのブラインにより真空チャンバ５０内の吸熱部に同温度レベルの寒冷を付与するようにしてもよい。

また、上記コンデンサ８，１０、熱交換器１８〜２１及び過冷却器３１は、２重管構造のもの、プレート構造のもの、シェルアンドチューブ構造のもののいずれを用いてもよい。また、キャピラリチューブ２４〜２９の代わりに他の減圧手段、例えば膨張弁等を用いることもできる。

本発明の特徴は上記分岐管３５の配置構造にある。すなわち、図１及び図２に拡大して示すように、分岐管３５は集合部３５ａと、この集合部３５ａから２股状に分岐された主側及び副側の１対の分岐部３５ｂ，３５ｃとからなり、集合部３５ａには、過冷却器３１の１次側３１ａの吐出部に接続された冷媒配管２の下流端がロウ付け等により気密状に接合されている。また、主側分岐部３５ｂには上記主冷媒配管２ａの上流端が、また副側分岐部３５ｃには副冷媒配管２ｂの上流端がそれぞれロウ付け等により気密状に接合され、これら主冷媒配管２ａ及び副冷媒配管２ｂはいずれも略水平面に沿って延びており、主側分岐部３５ｂの内部及び主冷媒配管２ａの内部に主冷媒回路３８が、また副側分岐部３５ｃの内部及び副冷媒配管２ｂの内部に副冷媒回路３９がそれぞれ形成されている。

そして、上記分岐管３５の主側分岐部３５ｂと副側分岐部３５ｃとは互いに同じ径（外径及び内径）を有し、主側分岐部３５ｂに接続される主冷媒配管２ａと、副側分岐部３５ｃに接続される副冷媒配管２ｂとは互いに同じ内径を有する配管からなっているが、主側分岐部３５ｂ及び副側分岐部３５ｃは、副側分岐部３５ｃが主側分岐部３５ｂの下側に位置するように略鉛直面に沿って上下方向に並んだ状態で配置されており、副側分岐部３５ｃ及びそれに接続される副冷媒配管２ｂは、主側分岐部３５ｂ及びそれに接続される主冷媒配管２ａよりも所定高さｈだけ低い高さ位置に配置されている。よって、上記副冷媒回路３９全体の高さ位置が主冷媒回路３８の全体の高さ位置よりも低く設定されている。

尚、図１中、４２は分岐管３５の副側分岐部３５ｃと第５キャピラリチューブ２８との間に直列に接続されたストレーナ（図３には示していない）である。また、図３中、４３はバッファタンクで、冷凍機Ｒの運転開始時に凝縮が不十分なガス冷媒により圧縮機５の吐出圧の異常上昇を防ぐためのものである。

さらに、４４は上記第６キャピラリチューブ２９とクライオコイル３２との間の主冷媒配管２ａに接続された電磁開閉弁、４５は該電磁開閉弁４４及びクライオコイル３２の間の主冷媒配管２ａと、油分離器６及び水冷コンデンサ８の間の冷媒配管２との間に接続されたデフロスト回路、４６は該デフロスト回路４５の途中に接続された電磁開閉弁であり、真空成膜装置Ａの真空チャンバ５０を真空状態にして基板に成膜する通常運転時には、電磁開閉弁４６の閉弁によりデフロスト回路４５を閉じかつ電磁開閉弁４４の開弁により主冷媒配管２ａを開くことで、クライオコイル３２で低沸点冷媒を蒸発させ、真空チャンバ５０内の気体や水分を冷却して凍結させる一方、開閉扉５１を開いて真空チャンバ５０を大気に開放し基板に成膜を行わない状態のデフロスト運転時には、電磁開閉弁４６の開弁によりデフロスト回路４５を開きかつ電磁開閉弁４４の閉弁により主冷媒配管２ａを閉じることで、圧縮機５から吐出された高温のガス冷媒（ホットガス）をそのままデフロスト回路４５を経てクライオコイル３２に供給して、クライオコイル３２での気体等の凍結を戻すようにしている。

したがって、この実施形態においては、真空成膜装置Ａの真空チャンバ５０内で基板を成膜するときには、超低温冷凍機Ｒが運転されて、真空チャンバ５０内部（又は連通路５２内部）の気体等が−１００℃以下の超低温レベルまで冷却されて凍結され、真空チャンバ５０内が真空状態にされる。この超低温冷凍機Ｒの運転時、電磁開閉弁４６の閉弁によりデフロスト回路４５が閉じられかつ電磁開閉弁４４の開弁により主冷媒配管２ａが開かれる。このことで、圧縮機５から吐出された混合冷媒は水冷コンデンサ８により冷却された後に補助コンデンサ１０で圧縮機５へ戻る２次側の冷媒により冷却され、混合冷媒のうち沸点温度が最高温度のガス冷媒が凝縮されて液化する。この冷媒は第１気液分離器１２においてガス冷媒と液冷媒とに分離され、液冷媒は第１キャピラリチューブ２４で減圧された後に第１熱交換器１８の１次側で蒸発し、この蒸発熱により第１気液分離器１２からのガス冷媒が冷却され、混合冷媒のうち沸点温度が２番目に高い温度のガス冷媒を凝縮されて液化する。以後、同様にして、第２〜第４熱交換器１９〜２１でそれぞれ混合冷媒のうちの沸点温度が高い温度から順にガス冷媒が凝縮されて液化し、この第４熱交換器２１では沸点温度が最も低いガス冷媒が凝縮されて液化する。

上記第４熱交換器２１の１次側から吐出された冷媒は気液混合状態となり、この気液混合の冷媒は、過冷却器３１の１次側３１ａを通過した後に分岐管３５で主冷媒回路３８（主冷媒配管２ａ）と副冷媒回路３９（副冷媒配管２ｂ）との２経路に分離される。そして、副冷媒回路３９に流れた冷媒は第５キャピラリチューブ２８で減圧された後に過冷却器３１の２次側３１ｂに供給されて蒸発し、この蒸発熱により上記第４熱交換器２１から過冷却器３１の１次側３１ａに供給された気液混合状態の冷媒がさらに冷却されて液冷媒の量が増加する。

また、過冷却器３１の１次側３１ａから吐出された後に主冷媒配管２ａに流れる気液混合状態の冷媒の残部は第６キャピラリチューブ２９で減圧され、その減圧後にクライオコイル３２において蒸発して真空チャンバ５０内の気体や水分に例えば−１００℃以下の寒冷を付与する。この−１００℃以下の温度の寒冷により真空チャンバ５０内の気体や水分が凍結して真空チャンバ５０内の真空レベルが上昇する。

そして、上記第４熱交換器２１から過冷却器３１の１次側３１ａを経由した気液混合状態の冷媒が分岐管３５で主冷媒回路３８（主冷媒配管２ａ）及び副冷媒回路３９（副冷媒配管２ｂ）に分岐されて流れるとき、上記副冷媒回路３９の高さ位置が主冷媒回路３８の高さ位置よりも低いことから、気液混合状態の冷媒のうちの液冷媒が、相対的に高さの低い副冷媒回路３９に多く流入するようになり、その副冷媒回路３９への液冷媒の流量が主冷媒回路３８への流量よりも増加する。従って、過冷却器３１の１次側３１ａのガス冷媒に対する冷却を十分に行うことができ、この過冷却器３１で液化される液冷媒の流量が増加してクライオコイル３２の冷却効率を向上させることができるとともに、成膜状態で真空チャンバ５０内の熱負荷に変動があっても、その真空チャンバ５０内を安定して冷却することができ、真空チャンバ５０内の真空状態を安定に保って、基板の成膜品質の向上を図ることができる。

また、成膜装置Ａの真空チャンバ５０を大気に開放して基板の成膜を行わない状態のデフロスト運転時には、電磁開閉弁４６の開弁によりデフロスト回路４５が開かれかつ電磁開閉弁４４の閉弁により主冷媒配管２ａが閉じ、このことで、圧縮機５から吐出された高温のガス冷媒がデフロスト回路４５を経てクライオコイル３２に供給されて、クライオコイル３２での気体等の凍結が解除される。そして、このデフロスト運転の後に、再度真空チャンバ５０内を真空状態にするときには、上記と同様にして、電磁開閉弁４６の閉弁によりデフロスト回路４５が閉じられかつ電磁開閉弁４４の開弁により主冷媒配管２ａが開かれ、過冷却器３１の１次側３１ａから出た低沸点冷媒が分岐管３５で主冷媒回路３８及び副冷媒回路３９に分かれるが、この場合にも、上記した主冷媒回路３８と副冷媒回路３９との高さの差ｈにより、過冷却器３１の２次側３１ｂに流入する液冷媒の流量がクライオコイル３２への流量よりも多くなるので、真空チャンバ５０内を常温から超低温レベルに迅速に冷却して、クールダウン時間を短縮することができ、延いては真空チャンバ５０内の排気時間や成膜処理の工程時間の短縮化及び高効率化を図ることができる。

さらに、このようにクライオコイル３２の冷却効率を向上させるに当たり、主冷媒回路３８及び副冷媒回路３９に高さの差異を付けるだけでよいので、簡単な構造で上記効果が得られる。

尚、この実施形態では、主冷媒配管２ａ及び副冷媒配管２ｂをいずれも水平面に沿って延びるようにすることで、副冷媒回路３９の全体の高さ位置を主冷媒回路３８の全体よりも低くしているが、副冷媒回路３９及び主冷媒回路３８の全体に亘り高さの差を設ける必要はなく、少なくとも主冷媒回路３８と副冷媒回路３９との分岐部において、副冷媒回路３９の最高高さ位置が主冷媒回路３８の最低高さ位置よりも低くなっていればよい。

（実施形態２）
図６は本発明の実施形態２を示し（尚、以下の各実施形態では、図１〜図５と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する）、上記実施形態１では副冷媒回路３９の高さ位置を主冷媒回路３８よりも低くすることで、過冷却器３１の２次側３１ｂに流れる液冷媒の流量をクライオコイル３２への液冷媒の流量よりも多くしているのに対し、副冷媒回路３９及び主冷媒回路３８の高さ位置を互いに同じにした上で、副冷媒回路３９の断面積を主冷媒回路３８よりも大きくしたものである。

すなわち、この実施形態では、実施形態１とは異なり、分岐管３５の集合部３５ａと、主側分岐部３５ｂ及びそれに接続された主冷媒配管２ａと、分岐管３５の副側分岐部３５ｃ及びそれに接続された副冷媒配管２ｂとは同じ水平面内に位置して、互いに同じ高さ位置に配置されている。

そして、分岐管３５の主側分岐部３５ｂ及び副側分岐部３５ｃは、実施形態１と同様に互いに同じ径を有するが、その主側分岐部３５ｂに接続される主冷媒配管２ａは、副側分岐部３５ｃに接続される副冷媒配管２ｂよりも小径のものが用いられており、このことで、副側分岐部３５ｃの内部及び副冷媒配管２ｂの内部に形成される副冷媒回路３９の断面積が、主側分岐部３５ｂの内部及び主冷媒配管２ａの内部に形成される主冷媒回路３８の断面積よりも大きくなっている。

その他の構成は実施形態１と同じである。尚、図６にはストレーナ４２及び第５キャピラリチューブ２８は示していないが、実施形態１と同様の構造となっている（図１参照）。

この実施形態の場合、主冷媒配管２ａとして、管径が副冷媒配管２ｂよりも細いものが用いられて、副冷媒回路３９の断面積が主冷媒回路３８の断面積よりも大きくなっているので、過冷却器３１の１次側３１ａから吐出された冷媒が主冷媒回路３８及び副冷媒回路３９に分かれる際、全体として、気液混合状態の冷媒の副冷媒回路３９に流入する流量が主冷媒回路３８に流入する流量よりも多くなり、それに比例して副冷媒回路３９に流入する液冷媒の流量も主冷媒回路３８への流量に比べ増加する。このため、過冷却器３１の１次側３１ａのガス冷媒に対する十分な冷却が保たれ、この過冷却器３１で液化される液冷媒の流量が増加して主冷却器の冷却効率が向上し、よって上記実施形態１と同様の作用効果が得られる。

尚、この実施形態２では、副冷媒配管２ｂは実施形態１と同様の通常の管径のものを用い、それよりも小径の配管を主冷媒配管２ａとして用いることで、副冷媒配管２ｂを主冷媒配管２ａよりも大径としているが、逆に、主冷媒配管２ａは通常の管径のものを用い、それよりも大径の配管を副冷媒配管２ｂとして用いることで、同様の目的を達成してもよい。

また、この実施形態２においても、副冷媒回路３９全体の断面積を主冷媒回路３８全体よりも大きくしているが、副冷媒回路３９及び主冷媒回路３８の全体に亘り断面積の差を設ける必要はなく、副冷媒回路３９の最小断面積が主冷媒回路３８の最大断面積よりも大であればよい。

（実施形態３）
図７及び図８は実施形態３を示し、上記実施形態１及び実施形態２の技術事項を組み合わせたものである。すなわち、この実施形態では、上記実施形態１と同様に、分岐管３５の主側分岐部３５ｂ及び副側分岐部３５ｃは、副側分岐部３５ｃが主側分岐部３５ｂの下側に位置するように略鉛直面に沿って上下方向に並んだ状態で配置され、副側分岐部３５ｃ及びそれに接続される副冷媒配管２ｂは、主側分岐部３５ｂ及びそれに接続される主冷媒配管２ａよりも低い高さ位置に配置されている。それと同時に、実施形態２と同様に、分岐管３５の主側分岐部３５ｂに接続される主冷媒配管２ａは、副側分岐部３５ｃに接続される副冷媒配管２ｂよりも小径のものが用いられていて、副冷媒回路３９の断面積が、主側分岐部３５ｂの内部及び主冷媒配管２ａの内部に形成される主冷媒回路３８の断面積よりも大きくなっている。その他は実施形態１又は２と同様の構成である。

したがって、この実施形態においては、実施形態１及び実施形態２の作用効果が相乗的に奏され、クライオコイル３２の冷却効率をさらに一層向上させることができる。

尚、この場合も、実施形態１と同様に、少なくとも主冷媒回路３８と副冷媒回路３９との分岐部において、副冷媒回路３９の最高高さ位置が主冷媒回路３８の最低高さ位置よりも低くなっていればよい。

（その他の実施形態）
上記各実施形態では、５種類又は６種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を用いているが、５種類又は６種類とは異なる種類数の冷媒を混合した混合冷媒を用いる冷凍システムに対しても適用できるのは勿論である。また、上記各実施形態は、複数種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を用いている冷凍システムに適用したものであるが、混合冷媒を用いない冷凍システムに対しても本発明は適用することができ、要は主冷却器の他に過冷却器を有するものであればよい。また、上記各実施形態では、真空成膜装置Ａの真空チャンバ５０内の気体等を冷却するために用いているが、その他の冷却対象を冷却するための冷凍システムでもよい。

以上説明したように、本発明は、主冷却器と共に過冷却器を有する冷凍システムに対し、その過冷却器により液化される液冷媒の流量を増加させて主冷却器の冷却効率を向上させ、負荷変動があっても冷却対象を安定して冷却できるとともに、冷却対象を常温から超低温レベルに迅速に冷却してクールダウン時間を短縮できるという実用性の高い効果が得られることから、極めて有用で産業上の利用可能性は高い。

本発明の実施形態１に係る超低温冷凍機の要部を拡大して示す平面図である。図１のII方向矢視図である。超低温冷凍機の全体構成を示す図である。真空成膜装置のレイアウトを概略的に示す平面図である。真空成膜装置の他のレイアウトを概略的に示す平面図である。実施形態２を示す図１相当図である。実施形態３を示す図１相当図である。図７のVIII方向矢視図である。

符号の説明

Ａ真空成膜装置
Ｒ超低温冷凍機
１冷媒回路
２冷媒配管
２ａ主冷媒配管
２ｂ副冷媒配管
５圧縮機
８水冷コンデンサ（凝縮器）
１０補助コンデンサ（凝縮器）
１２〜１５第１〜第４気液分離器
１８〜２１第１〜第４熱交換器
２４〜２７第１〜第４キャピラリチューブ（減圧手段）
２８第５キャピラリチューブ（過冷却器用減圧手段）
２９第６キャピラリチューブ３０（主冷却器用減圧手段）
３１過冷却器
３１ａ１次側
３１ｂ２次側
３２クライオコイル（主冷却器）
３５分岐管
ｈ高さ
３８主冷媒回路
３９副冷媒回路
５０真空チャンバ
５２連通路

Claims

冷媒を圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機から吐出された冷媒を冷却して凝縮する凝縮手段と、
上記凝縮手段から吐出された冷媒が流れる１次側と、該１次側から吐出されかつ過冷却器用減圧手段により減圧された冷媒が流れる２次側とを有し、１次側の冷媒を２次側の冷媒との熱交換により冷却する過冷却器と、
上記過冷却器の１次側から吐出されかつ主冷却器用減圧手段により減圧された冷媒を蒸発させて冷却対象を冷却する主冷却器と、
上記過冷却器の１次側から吐出された冷媒のうち、過冷却器の２次側に流れる液冷媒の流量を主冷却器への液冷媒の流量よりも多くする過冷却器冷媒流量増加手段とを備えたことを特徴とする冷凍システム。
沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機から吐出された混合冷媒のうちの高沸点冷媒を冷却して凝縮する凝縮器と、
上記凝縮器から吐出された混合冷媒を高沸点冷媒から低沸点冷媒へ順に液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器と、
上記各気液分離器で分離されたガス冷媒を、該各気液分離器で分離された後に減圧手段で減圧された液冷媒との熱交換により冷却する複数段のカスケード熱交換器と、
上記最終段のカスケード熱交換器から吐出された低沸点冷媒が流れる１次側と、該１次側から吐出されかつ過冷却器用減圧手段により減圧された低沸点冷媒が流れる２次側とを有し、１次側の低沸点冷媒を２次側の低沸点冷媒との熱交換により冷却する過冷却器と、
上記過冷却器の１次側から吐出されかつ主冷却器用減圧手段により減圧された低沸点冷媒を蒸発させて冷却対象を超低温レベルに冷却する主冷却器と、
上記過冷却器の１次側から吐出された冷媒のうち、過冷却器の２次側に流れる液冷媒の流量を主冷却器への液冷媒の流量よりも多くする過冷却器冷媒流量増加手段とを備えたことを特徴とする冷凍システム。
請求項１又は２の冷凍システムにおいて、
過冷却器冷媒流量増加手段は、主冷却器及び主冷却器用減圧手段が設けられた主冷媒回路と、上流端が該主冷媒回路の上流端に分岐接続され、過冷却器用減圧手段が設けられた副冷媒回路とに対し、上記副冷媒回路の最小断面積が主冷媒回路の最大断面積よりも大きい構造を有することを特徴とする冷凍システム。
請求項１又は２の冷凍システムにおいて、
過冷却器冷媒流量増加手段は、主冷却器及び主冷却器用減圧手段が設けられた主冷媒回路と、上流端が該主冷媒回路の上流端に分岐接続され、過冷却器用減圧手段が設けられた副冷媒回路とに対し、上記主冷媒回路と副冷媒回路との分岐部における上記副冷媒回路の最高高さ位置が主冷媒回路の最低高さ位置よりも低い構造を有することを特徴とする冷凍システム。
請求項３の冷凍システムにおいて、
過冷却器冷媒流量増加手段は、主冷媒回路と副冷媒回路との分岐部における副冷媒回路の最高高さ位置が主冷媒回路の最低高さ位置よりも低い構造を有することを特徴とする冷凍システム。
請求項１〜５のいずれか１つの冷凍システムを備え、
上記冷凍システムの主冷却器により真空チャンバ内の気体及び水分を冷却により凍結させるように構成されていることを特徴とする真空成膜装置。