JP2005207637A - Extremely low temperature refrigerating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超低温レベルの寒冷を発生させるための超低温冷凍装置に関し、特にそのデフロスト回路による圧縮機用潤滑油の凝固を抑制するための対策に関するものである。 The present invention relates to an ultra-low temperature refrigeration apparatus for generating an ultra-low temperature level of cold, and more particularly to a countermeasure for suppressing the solidification of compressor lubricating oil by the defrost circuit.
従来より、例えば、特許文献1に開示されているように、沸点温度の異なる数種類の冷媒からなる混合冷媒を、沸点温度の高い冷媒から沸点温度の低い冷媒へと順次凝縮させていき、最も低い蒸発温度の冷媒を最終的に蒸発させて所望の超低温を得るようにしたいわゆる混合冷媒方式の超低温冷凍装置が知られている。この種の超低温冷凍装置は、例えば、ウェハー等の製造に用いる真空成膜装置の真空チャンバ内に設置され、真空チャンバ内の気体を捕捉して真空レベルを上げるために使用されている。
Conventionally, for example, as disclosed in
このような超低温冷凍装置では、圧縮機と、凝縮器と、複数段の気液分離器及びカスケード熱交換器と、冷却器(蒸発器)とを備えた冷媒回路を混合冷媒が流通するようになっている。そして、凝縮器で主として高沸点の冷媒を凝縮した後、第1段目の気液分離器で液冷媒とガス冷媒とに分離し、第1段目のカスケード熱交換器の1次側において、ガス冷媒と上記分離された後に減圧された液冷媒とを熱交換させて冷却する。また、第2段目以後のカスケード熱交換器においても同様に熱交換を行い、最終段のカスケード熱交換器の1次側から流出した液冷媒を減圧させて冷却器において低沸点冷媒を蒸発させることで、超低温レベルの寒冷を供給する。さらに、この冷却器で冷却作用を行った冷媒を最終段のカスケード熱交換器の2次側に戻し、各段のカスケード熱交換器の2次側を経由させながら圧縮機に帰還させるようにしている。 In such an ultra-low temperature refrigeration apparatus, the mixed refrigerant flows through a refrigerant circuit including a compressor, a condenser, a multi-stage gas-liquid separator and a cascade heat exchanger, and a cooler (evaporator). It has become. And after condensing mainly high boiling point refrigerant in the condenser, it is separated into liquid refrigerant and gas refrigerant in the first stage gas-liquid separator, and on the primary side of the first stage cascade heat exchanger, The gas refrigerant and the liquid refrigerant decompressed after being separated are heat-exchanged and cooled. In the second and subsequent cascade heat exchangers, heat exchange is performed in the same manner, and the liquid refrigerant flowing out from the primary side of the final stage cascade heat exchanger is decompressed to evaporate the low boiling point refrigerant in the cooler. In this way, a very low temperature level of cold is supplied. Further, the refrigerant cooled by this cooler is returned to the secondary side of the final stage cascade heat exchanger and returned to the compressor while passing through the secondary side of the cascade heat exchanger of each stage. Yes.
そして、上記超低温冷凍装置では、圧縮機内での摺接部等の焼付を防止するために混合冷媒中に潤滑油が混入されているので、上記圧縮機の吐出側から凝縮器までの間に油分離器を設けて、この油分離器により混合冷媒から潤滑油を除去するようにしている。このことで、潤滑油が冷却器に供給されて凝固してしまい、冷却効率が低下するのを防止している。
ところで、上記真空成膜装置では、冷却器により冷却対象の気体を捕捉するようになっているので、成膜を行わないときには冷凍装置の通常運転を停止し、冷却器での気体の捕捉を解除する必要がある。そのため、上記超低温冷凍装置に対し、圧縮機の吐出側と冷却器とをデフロスト回路で接続し、圧縮機の吐出ガスを冷却器に供給することにより冷却器の除霜を行うようになっている。しかしながら、その場合、デフロスト運転の開始時に上記油分離器で除去しきれなかった潤滑油があると、それがデフロスト回路を流通して、未だ超低温レベルにある冷却器に供給されてしまい、冷却器において潤滑油が凝固してしまうという問題が生ずる。 By the way, in the vacuum film forming apparatus, the cooling target gas is captured by the cooler. Therefore, when the film formation is not performed, the normal operation of the refrigeration apparatus is stopped and the gas capturing by the cooler is released. There is a need to. Therefore, with respect to the ultra-low temperature refrigeration system, the discharge side of the compressor and the cooler are connected by a defrost circuit, and the cooler is defrosted by supplying the discharge gas of the compressor to the cooler. . However, in that case, if there is lubricating oil that could not be removed by the oil separator at the start of the defrost operation, it will be distributed to the cooler that is still at an ultra-low temperature level through the defrost circuit. This causes a problem that the lubricating oil is solidified.
そこで、この問題を解消するため、圧縮機の吐出側から凝縮器までの間に複数の油分離器を直列に配設することが考えられるが、この方法では、混合冷媒の流れの抵抗による圧力損失が発生してしまい、冷却効率が低下するという別の問題が生じることとなる。 Therefore, in order to solve this problem, it is conceivable to arrange a plurality of oil separators in series between the discharge side of the compressor and the condenser. However, in this method, the pressure due to the resistance of the mixed refrigerant flow is considered. Loss occurs, and another problem that cooling efficiency is reduced arises.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、上記のようにデフロスト回路を設けた超低温冷凍装置において、その回路の構成に改良を加えることにより、冷却効率を損なうことなく潤滑油の除去を確実に行って、冷却器に潤滑油が供給されないようにすることにある。 The present invention has been made in view of such points, and the object of the present invention is to improve the cooling efficiency of the ultra-low temperature refrigeration apparatus provided with the defrost circuit as described above by improving the circuit configuration. The purpose is to reliably remove the lubricating oil without damaging it so that the lubricating oil is not supplied to the cooler.
本発明は、上記目的に対して、デフロスト時に使用する油分離器を、圧縮機の吐出側から凝縮器までの間ではなくデフロスト回路に設けて、デフロスト回路に流入する混合冷媒から潤滑油を除去するようにした。 In the present invention, the oil separator used at the time of defrosting is not provided between the discharge side of the compressor and the condenser but in the defrost circuit to remove the lubricating oil from the mixed refrigerant flowing into the defrost circuit. I tried to do it.
すなわち、請求項1の発明は、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、
上記圧縮機から吐出された上記混合冷媒のうち高沸点の冷媒を冷却して液化する凝縮器と、
上記圧縮機の吐出側から上記凝縮器に至る上記混合冷媒から、混入された潤滑油を除去する第1の油分離器と、
上記凝縮器で液化された混合冷媒を高沸点冷媒から低沸点冷媒へと順次液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器と、
上記各気液分離器で分離された1次側のガス冷媒を、該各気液分離器で分離され且つ減圧された2次側の液冷媒との間で熱交換させて冷却する複数段のカスケード熱交換器と、
上記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器から流出し且つ減圧された低沸点冷媒を蒸発させて冷却対象を超低温レベルに冷却する冷却器と、
上記冷却器のデフロスト時に、上記圧縮機から吐出された上記混合冷媒を冷却器に供給するデフロスト回路とを備え、
上記デフロスト回路に、上記混合冷媒から潤滑油を除去する第2の油分離器が配設されていることを特徴とする。
That is, the invention of
A condenser that cools and liquefies a high boiling point refrigerant among the mixed refrigerant discharged from the compressor;
A first oil separator that removes mixed lubricating oil from the mixed refrigerant that reaches the condenser from the discharge side of the compressor;
A multi-stage gas-liquid separator that sequentially separates the mixed refrigerant liquefied by the condenser from a high boiling point refrigerant into a low boiling point refrigerant into a liquid refrigerant and a gas refrigerant;
A plurality of stages in which the primary-side gas refrigerant separated by each gas-liquid separator is cooled by heat exchange with the secondary-side liquid refrigerant separated and decompressed by each gas-liquid separator. A cascade heat exchanger,
A cooler that evaporates the low-boiling-point refrigerant that has flowed out of the cascade heat exchanger at the final stage of the plurality of stages and depressurized to cool the object to be cooled to an ultra-low temperature level;
A defrost circuit for supplying the mixed refrigerant discharged from the compressor to the cooler at the time of defrosting the cooler;
The defrost circuit is provided with a second oil separator for removing lubricating oil from the mixed refrigerant.
従って、本発明によれば、デフロスト回路に、混合冷媒から潤滑油を除去する第2の油分離器が配設されているから、デフロスト時に上記混合冷媒中の潤滑油がデフロスト回路から冷却器に供給されて該冷却器内で凝固するのを抑制することができる。 Therefore, according to the present invention, since the second oil separator for removing the lubricating oil from the mixed refrigerant is disposed in the defrost circuit, the lubricating oil in the mixed refrigerant is transferred from the defrost circuit to the cooler at the time of defrosting. It is possible to suppress the supply and solidification in the cooler.
また、複数の油分離器を圧縮機の吐出側から凝縮器までの間に直列に配設する場合のような圧力損失の増加を抑えることができる。これにより、混合冷媒を良好に循環させつつ、上述のような冷却効率の低下を抑制する効果が得られる。 Further, an increase in pressure loss as in the case where a plurality of oil separators are arranged in series between the discharge side of the compressor and the condenser can be suppressed. Thereby, the effect which suppresses the above cooling efficiency fall is acquired, circulating a mixed refrigerant | coolant favorably.
さらに、デフロスト回路に第2の油分離器を配設することで、デフロスト回路を設けない冷凍装置との間で部品の共通化を図ることができ、設備コストを低減する上で有利となる。また、交換等のメンテナンス作業も容易に行うことができる。 Furthermore, by disposing the second oil separator in the defrost circuit, it is possible to share parts with the refrigeration apparatus not provided with the defrost circuit, which is advantageous in reducing the equipment cost. Also, maintenance work such as replacement can be easily performed.
請求項2の発明は、請求項1に記載された超低温冷凍装置において、
上記デフロスト回路には、デフロスト時に開く開閉弁が設けられており、
上記第2の油分離器は、上記デフロスト回路の上流端から上記開閉弁までの間に配設されていることを特徴とする。
The invention of claim 2 is the ultra-low temperature refrigeration apparatus according to
The defrost circuit has an open / close valve that opens at the time of defrost.
The second oil separator is disposed between the upstream end of the defrost circuit and the on-off valve.
従って、本発明によれば、第2の油分離器は、デフロスト回路の上流端から開閉弁までの間に配設されているから、上記開閉弁を閉弁することにより、圧縮機の吸込側と第2の油分離器との間に前者の方が後者よりも高い圧力差が発生するのを抑制することができる。すなわち、第2の油分離器と圧縮機との間は、分離した潤滑油を圧縮機の吸込側に戻すように接続されており、圧縮機の吸込側と第2の油分離器との間に前者の方が後者よりも高い圧力差が発生すると、圧縮機から第2の油分離器に向かって潤滑油が逆流するおそれがあるが、第2の油分離器よりも下流側に配設された開閉弁を閉弁しておけば、上記の如き圧力差の発生を抑制して潤滑油の逆流を防止することができ、潤滑油をスムーズに還流させることができる。 Therefore, according to the present invention, the second oil separator is disposed between the upstream end of the defrost circuit and the on-off valve. Therefore, by closing the on-off valve, the suction side of the compressor It is possible to suppress the pressure difference between the former and the second oil separator from being higher than the latter. That is, the second oil separator and the compressor are connected to return the separated lubricating oil to the compressor suction side, and between the compressor suction side and the second oil separator. If the pressure difference in the former is higher than that in the latter, the lubricating oil may flow backward from the compressor toward the second oil separator, but it is arranged downstream of the second oil separator. If the open / close valve is closed, the occurrence of the pressure difference as described above can be suppressed to prevent the backflow of the lubricating oil, and the lubricating oil can be smoothly recirculated.
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載された超低温冷凍装置において、
上記第2の油分離器は、上記デフロスト回路の上流端までの距離が該デフロスト回路の下流端までの距離よりも短くなる位置に配設されていることを特徴とする。
The invention of claim 3 is the ultra-low temperature refrigeration apparatus according to
The second oil separator is arranged at a position where the distance to the upstream end of the defrost circuit is shorter than the distance to the downstream end of the defrost circuit.
従って、本発明によれば、第2の油分離器は、デフロスト回路の上流端までの距離が該デフロスト回路の下流端までの距離よりも短くなる位置に配設されているから、温度が高くて粘性が低い状態の潤滑油を分離することができ、より確実に潤滑油の除去を行うことができる。 Therefore, according to the present invention, the second oil separator is disposed at a position where the distance to the upstream end of the defrost circuit is shorter than the distance to the downstream end of the defrost circuit. Thus, the lubricating oil having a low viscosity can be separated, and the lubricating oil can be removed more reliably.
以上のように、請求項1に係る発明によれば、超低温冷凍装置のデフロスト回路に、混合冷媒から潤滑油を除去する油分離器が配設されているから、デフロスト時に上記混合冷媒中の潤滑油がデフロスト回路から冷却器に供給されて該冷却器内で凝固するのを抑制できるとともに、複数の油分離器を圧縮機から凝縮器までの間に直列に配設する場合のような圧力損失の増加を抑えることができ、よって、混合冷媒の循環を良好に確保しつつ冷却効率の向上を図ることができる。 As described above, according to the first aspect of the present invention, since the oil separator that removes the lubricating oil from the mixed refrigerant is disposed in the defrost circuit of the cryogenic refrigeration apparatus, the lubrication in the mixed refrigerant at the time of defrosting is performed. Pressure loss as when oil is supplied from the defrost circuit to the cooler and solidifies in the cooler, and multiple oil separators are arranged in series between the compressor and the condenser Therefore, it is possible to improve the cooling efficiency while ensuring good circulation of the mixed refrigerant.
請求項2に係る発明によれば、デフロスト回路の上流端と開閉弁との間に油分離器を配置したことにより、上記開閉弁の閉弁によって圧縮機の吸込側と油分離器との間に前者の方が後者よりも高い圧力差が発生するのを抑制することができ、圧縮機の吸込側から油分離器に向かって潤滑油が逆流するのを防止して、潤滑油の圧縮機へのスムーズな還流を図ることができる。 According to the second aspect of the present invention, the oil separator is disposed between the upstream end of the defrost circuit and the on-off valve, so that the on-off valve is closed between the suction side of the compressor and the oil separator. In the former, it is possible to suppress the occurrence of a pressure difference higher than that of the latter, and it is possible to prevent the lubricating oil from flowing backward from the suction side of the compressor toward the oil separator. Smooth reflux can be achieved.
請求項3に係る発明によれば、油分離器をデフロスト回路の上流側に配置したことにより、温度が高くて粘性が低い状態の潤滑油を回収することができ、より確実に潤滑油の除去を行うことができる。 According to the invention of claim 3, by arranging the oil separator on the upstream side of the defrost circuit, it is possible to recover the lubricating oil having a high temperature and low viscosity, and more reliably removing the lubricating oil. It can be performed.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The following description of the preferred embodiments is merely exemplary in nature and is in no way intended to limit the invention, its application, or its application.
図1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、120は内部が真空状態に保たれてウェハー(図示せず)が成膜される真空チャンバで、この真空チャンバ120には、開閉扉123により開閉される搬入出口(図示せず)が開口されており、開閉扉123を開いた状態で、成膜しようとするウェハーを真空チャンバ120内に搬入し或いは成膜後のウェハーを真空チャンバ120内から搬出する。真空チャンバ120には連通路122を介して真空ポンプ121が接続され、連通路122の真空チャンバ120との接続部には、開閉により両者を連通状態又は連通遮断状態に切り換えるゲートバルブ124が配設されており、開閉扉123を閉じかつゲートバルブ124を開いた状態で真空ポンプ121の作動により真空チャンバ120内を真空引きするようになっている。
FIG. 1 shows an example of a layout of a vacuum film-forming apparatus A according to an embodiment of the present invention.
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装置10が設けられており、この超低温冷凍装置10の後述するクライオコイル(冷却器)52により、真空ポンプ121の真空引きの状態で真空チャンバ120内の冷却対象としての気体(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、その気体等を捕捉させて真空チャンバ120内の真空レベルを上げるようになっている。
The vacuum film forming apparatus A is provided with an ultra-low
一方、図2は真空成膜装置Aのレイアウトの他の例を示し、冷凍装置10のクライオコイル52は真空チャンバ120内ではなくて連通路122の途中に配設されており、真空ポンプ121による真空引きの状態で超低温冷凍装置10により連通路122内の気体や水分、つまり間接的に真空チャンバ120内の気体や水分を冷却して捕捉させることで、真空チャンバ120内の真空レベルを高めるようにしている。その他の構造は図1に示す真空成膜装置Aと同じである。
On the other hand, FIG. 2 shows another example of the layout of the vacuum film-forming apparatus A. The
上記超低温冷凍装置10は、冷媒として沸点温度が互いに異なる5種類又は6種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を用いて−100℃以下の超低温レベルの寒冷を発生させるものである。
The ultra-low
図3は超低温冷凍装置10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で接続してなる。20はガス冷媒を圧縮する圧縮機で、この圧縮機20の吐出部には第1の油分離器15が接続されている。この第1の油分離器15は、圧縮機20から吐出されたガス冷媒中に混入されている圧縮機用潤滑油をガス冷媒から分離するものであり、この分離された潤滑油は油戻し管18を経て圧縮機20の吸込側に戻される。上記第1の油分離器15の冷媒吐出部には、圧縮機20からの吐出ガス冷媒を冷却水通路11の冷却水との熱交換により冷却して凝縮する水冷コンデンサ21が接続されている。水冷コンデンサ21の吐出部には、冷媒中の水分及びコンタミネーションを除去するドライヤ17を介して補助コンデンサ22の1次側が接続されており、この補助コンデンサ22において、水冷コンデンサ21からのガス冷媒を圧縮機20に吸入される低温度の2次側の還流冷媒と熱交換して冷却し凝縮する。この実施形態では、水冷コンデンサ21と補助コンデンサ22とで凝縮器を構成しており、これら両コンデンサ21,22により、混合冷媒のうち沸点温度が最高温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようになっている。
FIG. 3 shows the overall configuration of the ultra-low
上記補助コンデンサ22における1次側の吐出部には第1気液分離器24が接続され、この第1気液分離器24で、上記補助コンデンサ22からの気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。この第1気液分離器24のガス冷媒吐出部にはカスケードタイプの第1熱交換器25の1次側が、また液冷媒吐出部には、減圧手段としての第1キャピラリチューブ26を介して同じ第1熱交換器25の2次側がそれぞれ接続されており、第1気液分離器24で分離された液冷媒を第1キャピラリチューブ26で減圧させた後に第1熱交換器25の2次側に供給して蒸発させ、この蒸発により1次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が2番目に高い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようになっている。
A first gas-
さらに、上記第1熱交換器25における1次側の吐出部には第2気液分離器30が接続されており、この第2気液分離器30において、第1熱交換器25からの気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。この第2気液分離器30のガス冷媒吐出部にはカスケードタイプの第2熱交換器31の1次側が、また液冷媒吐出部には、減圧手段としての第2キャピラリチューブ32を介して同じ第2熱交換器31の2次側がそれぞれ接続されており、第2気液分離器30で分離された液冷媒を第2キャピラリチューブ32で減圧させた後に第2熱交換器31の2次側に供給して蒸発させ、この蒸発により1次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が3番目に高い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようにしている。
Further, a second gas-
さらに、上記接続構造と同様にして、上記第2熱交換器31における1次側の吐出部には、第3気液分離器36、第3熱交換器37及び第3キャピラリチューブ38が、また当該第3熱交換器37における1次側の吐出部には、第4気液分離器42、第4熱交換器43及び第4キャピラリチューブ44がそれぞれ接続されており(これらの接続構造は上記第1気液分離器24、第1熱交換器25及び第1キャピラリチューブ26の接続構造と同じであるので、その詳細な説明は省略する)、第3気液分離器36で分離された液冷媒を第3キャピラリチューブ38で減圧させた後に第3熱交換器37の2次側に供給して蒸発させ、その蒸発により1次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が4番目に高い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するとともに、第4気液分離器42で分離された液冷媒を第4キャピラリチューブ44で減圧させた後に第4熱交換器43の2次側に供給して蒸発させ、この蒸発により1次側のガス冷媒を熱交換により冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が最も低い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようにしている。
Further, in the same manner as in the connection structure, a third gas-
そして、上記第4熱交換器43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(サブクーラ)47の1次側が接続され、この過冷却器47の1次側の吐出部に接続されている冷媒配管は、途中で主冷媒配管2aと副冷媒配管2bとに分岐されている。
And the primary side of the subcooler (subcooler) 47 which consists of a heat exchanger is connected to the primary side discharge part in the said
上記副冷媒配管2bの途中には第5キャピラリチューブ48が接続されている。また、副冷媒配管2bの下流端は同じ過冷却器47の2次側に接続され、この過冷却器47の2次側は冷媒配管を介して上記第4熱交換器43の2次側に接続されており、第4熱交換器43から吐出された冷媒を、過冷却器47の1次側に通過させた後、その一部を副冷媒配管2bの第5キャピラリチューブ48で減圧させ、その液冷媒を過冷却器47の2次側に供給して蒸発させ、その蒸発熱により1次側のガス冷媒を冷却するようにしている。
A fifth
一方、上記主冷媒配管2aの途中には、第6キャピラリチューブ53とクライオコイル52とがそれぞれ上流側から直列に接続されている。上記クライオコイル52は主冷却器を構成するもので、図1又は図2に示すように、上記真空チャンバ120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43の2次側と過冷却器47の2次側との間の冷媒配管に接続されており、過冷却器47の1次側から吐出された冷媒の残部を主冷媒配管2aの第6キャピラリチューブ53で減圧させた後にクライオコイル52に供給して蒸発させ、その蒸発熱により真空チャンバ120内の気体や水分(冷却対象)を−100℃以下の温度の超低温レベルに冷却し、その気体や水分を捕捉させて真空レベルを高めるようにしている。
On the other hand, in the middle of the main
また、上記過冷却器47の2次側(及びクライオコイル52)と、第4熱交換器43、第3熱交換器37、第2熱交換器31、第1熱交換器25及び補助コンデンサ22の各2次側とは記載順に直列に冷媒配管により接続され、補助コンデンサ22の2次側は圧縮機20の吸込側に接続されており、混合冷媒において蒸発によってガス化した各冷媒を圧縮機20に吸入させるようにしている。
In addition, the secondary side (and the cryocoil 52) of the
なお、上記クライオコイル52を真空チャンバ120内に配置して、そのクライオコイル52により真空チャンバ120内の気体等を直接冷却するようにしているが、クライオコイル52に代えてブラインクーラを設け、このブラインクーラを真空チャンバ120内に位置する吸熱部とブライン回路により接続し、このブラインクーラにおいてブライン回路内のブラインを超低温レベルに冷却して、そのブラインにより真空チャンバ120内の吸熱部に同温度レベルの寒冷を付与するようにしてもよい。
The
また、上記コンデンサ21,22、熱交換器25,31,37,43及び過冷却器47は、2重管構造のもの、プレート構造のもの、シェルアンドチューブ構造のもののいずれを用いてもよい。また、キャピラリチューブ26,32,38,44の代わりに他の減圧手段、例えば膨張弁等を用いることもできる。
The
次に、本発明の特徴であるデフロスト回路の回路構成について説明する。図3に示すように、デフロスト回路60は、圧縮機20から吐出された高温のガス冷媒(ホットガス)をそのままクライオコイル52に供給するためのものであり、第1の油分離器15及び水冷コンデンサ21の間の冷媒配管と、第6キャピラリチューブ53とクライオコイル52の間の冷媒配管とを接続している。61はデフロスト回路60の途中に接続された電磁開閉弁、62は第6キャピラリチューブ53とクライオコイル52との間の冷媒配管において上記デフロスト回路60の下流端との接続位置よりも上流側(第6キャピラリチューブ53側)に接続された電磁開閉弁である。
Next, the circuit configuration of the defrost circuit, which is a feature of the present invention, will be described. As shown in FIG. 3, the
そして、上記デフロスト回路60の上流端と電磁開閉弁61との間には、圧縮機用潤滑油をガス冷媒から分離する第2の油分離器16が配設されている。この第2の油分離器16で分離された潤滑油は、上記第1の油分離器15と同様に油戻し管18を経て圧縮機20の吸込側に戻される。ここで、第2の油分離器16は、温度が高くて粘性が低い状態の潤滑油を分離してより確実に潤滑油の除去を行うことができるように、デフロスト回路60の上流端までの距離がデフロスト回路60の下流端までの距離よりも短くなる位置(デフロスト回路60の上側半部)に配設されている。
Between the upstream end of the
そして、図1に示す真空成膜装置Aの真空チャンバ120を真空状態にしてウェハーに成膜する通常運転時には、電磁開閉弁61の閉弁によりデフロスト回路60を閉じかつ電磁開閉弁62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52で低沸点冷媒を蒸発させ、真空チャンバ120内の気体や水分を冷却して捕捉させる一方、開閉扉123を開いて真空チャンバ120でウェハー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61の開弁によりデフロスト回路60を開きかつ電磁開閉弁62の閉弁により主冷媒配管2aを閉じることで、圧縮機20から吐出された高温のガス冷媒(ホットガス)をそのままデフロスト回路60を経てクライオコイル52に供給して、クライオコイル52での気体等の捕捉を戻すようにしている。
When the
なお、65はバッファタンクで、超低温冷凍装置10の運転開始時に凝縮が不十分なガス冷媒により圧縮機20の吐出圧の異常上昇を防ぐためのものである。また、デフロスト回路60の電磁開閉弁61近傍と、第6キャピラリチューブ53とクライオコイル52との間の電磁開閉弁62近傍と、クライオコイル52の出口側と第4熱交換器43の2次側との間の冷媒配管とに、それぞれ第1乃至第3の手動開閉弁71,72,73が配設されている。これら第1乃至第3の手動開閉弁71,72,73は、クライオコイル52の交換やメンテナンス時に各々閉弁することで配管内に残存する混合冷媒が外部に漏れ出さないようにするものである。
さらに、クライオコイル52の出口側と第4熱交換器43の2次側との間の冷媒配管には、超低温冷凍装置10の冷媒回路1内に混合冷媒を供給するための冷媒供給管路70が接続されている。また、この冷媒供給管路70は、冷媒回路1内から混合冷媒を排出するための排出管路を兼ねている。そして、冷媒供給管路70には、冷媒の供給又は排出時に開く供給開閉弁75が設けられている。
Further, a
以上のように構成された実施形態においては、真空成膜装置Aの真空チャンバ120内でウェハーを成膜するときには、超低温冷凍装置10が運転されて、真空チャンバ120内部(又は連通路122内部)の気体等が−100℃以下の超低温レベルまで冷却されて捕捉され、真空チャンバ120内が真空状態にされる。すなわち、この超低温冷凍装置10の運転時、電磁開閉弁61の閉弁によりデフロスト回路60が閉じられかつ電磁開閉弁62の開弁により主冷媒配管2aが開かれる。このことで、圧縮機20から吐出された混合冷媒は水冷コンデンサ21により冷却された後に補助コンデンサ22で圧縮機20へ戻る2次側の冷媒により冷却され、混合冷媒のうち沸点温度が最高温度のガス冷媒が凝縮されて液化する。この冷媒は第1気液分離器24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26で減圧された後に第1熱交換器25の2次側で蒸発し、この蒸発熱により第1気液分離器24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が凝縮されて液化する。以後、同様にして、第2乃至第4熱交換器31,37,43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43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。
In the embodiment configured as described above, when a wafer is formed in the
上記第4熱交換器43の1次側から吐出された冷媒は気液混合状態となり、この気液混合の冷媒は、過冷却器47の1次側を通過した後に主冷媒配管2aと副冷媒配管2bとに分離される。そして、副冷媒配管2bに流れた冷媒は第5キャピラリチューブ48で減圧された後に過冷却器47の2次側に供給されて蒸発し、この蒸発熱により上記第4熱交換器43から過冷却器47の1次側に供給された気液混合状態の冷媒がさらに冷却される。
The refrigerant discharged from the primary side of the
また、過冷却器47の1次側から吐出された後に主冷媒配管2aに流れる気液混合状態の冷媒の残部は第6キャピラリチューブ53で減圧され、その減圧後にクライオコイル52において蒸発して真空チャンバ120内の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120内の気体や水分を捕捉して真空チャンバ120内の真空レベルが上昇する。
Further, the remaining refrigerant in the gas-liquid mixed state that flows into the main
これに対し、成膜装置Aの真空チャンバ120でウェハーの成膜を行わない状態のデフロスト運転時には、電磁開閉弁61の開弁によりデフロスト回路60が開かれかつ電磁開閉弁62の閉弁により主冷媒配管2aが閉じ、このことで、圧縮機20から吐出された高温のガス冷媒がデフロスト回路60を経てクライオコイル52に供給されて、クライオコイル52での気体等の捕捉が解除される。
On the other hand, during the defrost operation in which the wafer is not formed in the
そのとき、上記デフロスト回路60に、混合冷媒から潤滑油を除去する第2の油分離器16が配設されているから、デフロスト時に圧縮機20から吐出された混合冷媒中の潤滑油を、第1の油分離器15で除去しきれなくても、それをさらに第2の油分離器16で除去することができ、潤滑油がデフロスト回路60からクライオコイル52に供給されるのを抑制することができる。これにより、特にデフロスト運転の開始時に未だ超低温レベルにあるクライオコイル52内で潤滑油が冷却されて凝固するのを抑制して、混合冷媒の良好な循環を確保することができる。延いては真空チャンバ120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。
At that time, since the
また、上記第2の油分離器16は、デフロスト回路60の上流端までの距離がデフロスト回路60の下流端までの距離よりも短くなる位置に配設されていることで、温度が高くて粘性が低い状態の潤滑油を分離する上で有利となり、より確実に潤滑油の除去を行うことができる。
Further, the
次に、このデフロスト運転の後に、再度真空チャンバ120内を真空状態にするときには、上記と同様にして、電磁開閉弁61の閉弁によりデフロスト回路60が閉じられかつ電磁開閉弁62の開弁により主冷媒配管2aが開かれ、過冷却器47の1次側から出た低沸点冷媒がクライオコイル52内で蒸発し真空チャンバ120内を常温から超低温レベルに迅速に冷却する。
Next, when the inside of the
電磁開閉弁61の閉弁により、第2の油分離器16で分離された潤滑油が圧縮機20の吸込側に回収される。ここで、デフロスト回路60の上流端と電磁開閉弁61との間に上記第2の油分離器16が配置されているので、圧縮機20の吸込側と第2の油分離器16との間に前者の方が後者よりも高い圧力差が発生するのを抑制することができる。このことで、圧縮機20の吸込側から第2の油分離器16に向かって潤滑油が逆流するのを防止して、潤滑油の圧縮機20へのスムーズな還流を図ることができる。
By closing the electromagnetic on-off
なお、本実施形態では、第1乃至第4熱交換器25,31,37,43においてクライオコイル52に向かう冷媒を1次側に、またクライオコイル52から圧縮機20に還流する冷媒を2次側に導入する構成としたが、これとは逆にクライオコイル52に向かう冷媒を2次側に、またクライオコイル52から圧縮機20に還流する冷媒を1次側に導入する構成としてもよいのは勿論である。また、これらを個別に組み合わせた構成としてもよい。
In the present embodiment, in the first to
また、本実施形態では気液分離を4段階行うシステムを示したが、これに代え、気液分離を3段階以下又は5段階以上行うシステムにも本発明の適用が可能である。 Moreover, although the system which performs gas-liquid separation 4 steps | paragraphs was shown in this embodiment, it replaces with this and this invention is applicable also to the system which performs gas-liquid separation 3 steps | paragraphs or 5 steps or more.
また、本実施形態では水冷コンデンサ21を用いた水冷システムを示したが、これに代え、空冷コンデンサを用いたシステムに構成してもよい。 In the present embodiment, the water cooling system using the water cooling condenser 21 is shown. However, instead of this, a system using an air cooling condenser may be used.
以上説明したように、本発明は、デフロスト回路を設けた超低温冷凍装置に対し、デフロスト時に混合冷媒中の潤滑油がデフロスト回路から冷却器に供給されて冷却器内で凝固することを抑制でき、さらに混合冷媒の流れの抵抗による圧力損失の増加を抑えることができるため、混合冷媒の循環を良好に確保しつつ冷却効率の向上を図ることができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。 As described above, the present invention can suppress that the lubricating oil in the mixed refrigerant is supplied to the cooler from the defrost circuit and solidified in the cooler at the time of defrosting for the ultra-low temperature refrigeration apparatus provided with the defrost circuit, Furthermore, since it is possible to suppress an increase in pressure loss due to the resistance of the mixed refrigerant flow, it is possible to obtain a highly practical effect that it is possible to improve the cooling efficiency while ensuring good circulation of the mixed refrigerant. It is extremely useful and has high industrial applicability.
10 超低温冷凍装置
15 第1の油分離器
16 第2の油分離器
20 圧縮機
21 水冷コンデンサ(凝縮器)
22 補助コンデンサ(凝縮器)
24 第1気液分離器
25 第1熱交換器
30 第2気液分離器
31 第2熱交換器
36 第3気液分離器
37 第3熱交換器
42 第4気液分離器
43 第4熱交換器
52 クライオコイル(冷却器)
60 デフロスト回路
10 Ultra-low
22 Auxiliary condenser (condenser)
24 1st gas-
60 Defrost circuit
Claims (3)
上記圧縮機から吐出された上記混合冷媒のうち高沸点の冷媒を冷却して液化する凝縮器と、
上記圧縮機の吐出側から上記凝縮器に至る上記混合冷媒から、混入された潤滑油を除去する第1の油分離器と、
上記凝縮器で液化された混合冷媒を高沸点冷媒から低沸点冷媒へと順次液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器と、
上記各気液分離器で分離された1次側のガス冷媒を、該各気液分離器で分離され且つ減圧された2次側の液冷媒との間で熱交換させて冷却する複数段のカスケード熱交換器と、
上記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器から流出し且つ減圧された低沸点冷媒を蒸発させて冷却対象を超低温レベルに冷却する冷却器と、
上記冷却器のデフロスト時に、上記圧縮機から吐出された上記混合冷媒を冷却器に供給するデフロスト回路とを備え、
上記デフロスト回路に、上記混合冷媒から潤滑油を除去する第2の油分離器が配設されていることを特徴とする超低温冷凍装置。 A compressor that compresses a mixed refrigerant in which a plurality of types of refrigerants having different boiling points are mixed;
A condenser that cools and liquefies a high boiling point refrigerant among the mixed refrigerant discharged from the compressor;
A first oil separator that removes mixed lubricating oil from the mixed refrigerant that reaches the condenser from the discharge side of the compressor;
A multi-stage gas-liquid separator that sequentially separates the mixed refrigerant liquefied by the condenser from a high boiling point refrigerant into a low boiling point refrigerant into a liquid refrigerant and a gas refrigerant;
A plurality of stages in which the primary-side gas refrigerant separated by each gas-liquid separator is cooled by heat exchange with the secondary-side liquid refrigerant separated and decompressed by each gas-liquid separator. A cascade heat exchanger,
A cooler that evaporates the low-boiling-point refrigerant that has flowed out of the cascade heat exchanger at the final stage of the plurality of stages and depressurized to cool the object to be cooled to an ultra-low temperature level;
A defrost circuit for supplying the mixed refrigerant discharged from the compressor to the cooler at the time of defrosting the cooler;
An ultra-low temperature refrigeration apparatus, wherein a second oil separator for removing lubricating oil from the mixed refrigerant is disposed in the defrost circuit.
上記デフロスト回路には、デフロスト時に開く開閉弁が設けられており、
上記第2の油分離器は、上記デフロスト回路の上流端から上記開閉弁までの間に配設されていることを特徴とする超低温冷凍装置。 In the ultra-low temperature refrigeration apparatus according to claim 1,
The defrost circuit has an open / close valve that opens at the time of defrost.
The ultra-low temperature refrigeration apparatus, wherein the second oil separator is disposed between an upstream end of the defrost circuit and the on-off valve.
上記第2の油分離器は、上記デフロスト回路の上流端までの距離が該デフロスト回路の下流端までの距離よりも短くなる位置に配設されていることを特徴とする超低温冷凍装置。
In the ultra-low temperature refrigeration apparatus according to claim 1 or 2,
The ultra-low temperature refrigeration apparatus, wherein the second oil separator is disposed at a position where the distance to the upstream end of the defrost circuit is shorter than the distance to the downstream end of the defrost circuit.
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