JP2006038323A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラインの循環経路を短くすることである。
【解決手段】冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）と、該冷媒回路（20）の蒸発器（35）で冷媒と熱交換して冷却されたブラインを被冷却物へ供給するブライン回路（40）とを備えている。そして、蒸発器（35）を除く冷媒回路（20）が熱源ユニット（11）に構成され、蒸発器（35）とブライン回路（40）とが利用ユニット（12）に構成されている。利用ユニット（12）は被冷却物の設置室に配設され、熱源ユニット（11）は被冷却物の設置室の階下の設置室に配設されている。これにより、ブライン回路（40）が短くなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷却装置に関し、特に、冷却液が循環して被冷却物を冷却する循環経路の小型化対策に係るものである。

従来より、ブラインを循環させて被冷却物を冷却する冷却装置が、いわゆるチリングユニットとして知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の冷却装置は、コンビニエンスストアなどに設けられた被冷却物であるショーケース（庫内）をブラインによって冷却するものである。

具体的に、上記冷却装置は、ブラインを冷却するブラインチラーを備えている。このブラインチラーには、圧縮機、凝縮器、蒸発器などからなり、冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路が設けられている。また、上記ブラインチラーには、ブラインが流れ、該ブラインが冷媒回路の蒸発器によって冷却される熱交換器が設けられている。そして、上記ブラインチラーは、熱交換器とショーケースとの間でブラインを循環させるブライン通路が接続されている。上記冷却装置では、ブラインチラーの熱交換器で冷却されたブラインがショーケースへ供給され、ショーケースを冷却した後、再び熱交換器へ戻る循環を繰り返す。
特開２０００−１６１８３５号公報

しかしながら、上述した従来の冷却装置において、ブラインチラーが店舗の機械室に設置される一方、ショーケースが機械室とは離れた店舗内に設置されているため、ブライン通路が長くなるという問題があった。これにより、例えば定期的なブラインの回収時において、回収量が多くなり、作業効率が悪くなるという問題があった。また、ブライン通路が長くなると、循環中にブラインの温度が大きく変動してしまうので、ショーケースの温度制御が安定しないという問題があった。

本発明は、斯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、ブラインの循環経路を短くし、ブラインの使用量を減少させると共に、ブラインの温度制御を向上させることである。

具体的に、第１の発明は、冷却熱交換器（35）と、該冷却熱交換器（35）に熱媒体を流す熱源側回路（20）と、上記冷却熱交換器（35）に冷却液を流し、上記熱源側回路（20）の熱媒体と熱交換して冷却された冷却液を被冷却物へ供給する利用側回路（40）とを備えた冷却装置を前提としている。そして、上記冷却熱交換器（35）および利用側回路（40）は、被冷却物が設置された第１空間に配設されている。一方、上記熱源側回路（20）は、上記第１空間とは別の第２空間に配設されている。

上記の発明では、ブラインなどの冷却液が冷却熱交換器（35）で所定温度に冷却され、利用側回路（40）を流れて半導体製造装置などの被冷却物へ供給される。そして、該被冷却物が冷却液によって冷却されて一定温度に維持される。ここで、上記熱源側回路（20）は被冷却物の設置室（第１空間）とは別の設置室（第２空間）に配設されるが、冷却熱交換器（35）および利用側回路（40）は被冷却物と同じ設置室に配設されている。したがって、従来のように冷却熱交換器（35）が熱源側回路（20）と同じユニット内に設けられて被冷却物とは別の場所に設置される場合に比べて、冷却熱交換器（35）と被冷却物との距離が短くなる。すなわち、上記冷却熱交換器（35）から被冷却物までの冷却液の流通経路が短くてすむ。これにより、利用側回路（40）において扱う冷却液の容量が減少される
また、上記被冷却物への冷却液の流通経路が短くなることから、該流通経路の途中でなされる冷却液の吸熱または放熱によって生じる冷却液の温度変化が抑制される。この結果、被冷却物の温度制御が向上する。

また、第２の発明は、上記第１の発明において、上記第１空間が第２空間の階上に位置している。

上記の発明では、利用側回路（40）において、冷却液が例えばポンプによって循環されている場合、該ポンプの必要能力が低減される。つまり、上記ポンプは、熱源側回路（20）の設置階（階下）から被冷却物の設置階（階上）へ冷却液を導く必要揚力が低減される。これにより、ポンプのイニシャルコストおよびランニングコストの低減が図られる。

また、第３の発明は、上記第１または２の発明において、上記冷却熱交換器（35）と利用側回路（40）とが１つのユニットに構成され、被冷却物の近傍に配設されている。

上記の発明では、ユニット化されることで、利用側回路（40）がコンパクトになり、半導体製造装置などの被冷却物にユニットごと組み込むなど適当な場所に設置可能となる。

また、第４の発明は、上記第２または３の発明において、上記熱源側回路（20）が、熱媒体としての冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路である。そして、上記冷却熱交換器（35）は、冷媒が利用側回路（40）の冷却液と熱交換して蒸発する蒸発器として機能している。

上記の発明において、図１に示すように、冷媒回路（20）は、圧縮機（31）と凝縮器（32）と膨張弁（34）と蒸発器（35）とを備え、冷媒が循環する。この冷媒回路（20）では、圧縮機（31）から吐出された冷媒が凝縮器（32）で凝縮し、膨張弁（34）で減圧されて蒸発器（35）へ流れる。この蒸発器（35）では、冷媒が利用側回路（40）の冷却液と熱交換して蒸発し、冷却液が冷却されて被冷却物へ供給される。

したがって、第１の発明によれば、冷却熱交換器（35）および利用側回路（40）を熱源側回路（20）とは別々に配設し、被冷却物の設置空間に配設するようにしたので、利用側回路（40）を短くすることができる。これにより、ブラインなどの冷却液の使用量が少なくてすむので、点検等において冷却液の回収時間を短縮することができる。この結果、点検作業の効率化を図ることができる。

また、上記ブライン回路（40）を短くできることから、温調された冷却液が被冷却物へ流れるまでの間に生じる冷却液の温度変化を抑制することができる。これにより、被冷却物の温度制御を高精度に安定させることができる。

さらに、第２の発明によれば、冷却熱交換器（35）および利用側回路（40）の設置空間が熱源側回路（20）の設置空間の階上に位置した場合であっても、利用側回路（40）を階下から階上まで立ち上げて配管しなくてもよいので、例えば利用側回路（40）における循環用のポンプの必要揚力を低減することができる。したがって、装置のイニシャルコストおよびランニングコストの低減を図ることができる。

また、第３の発明によれば、冷却熱交換器（35）と利用側回路（40）とを１つのユニットに構成し、被冷却物の近傍に設置するようにしたので、利用側回路（40）のコンパクト化を図ることができると共に、特に被冷却物が複雑な構造の半導体製造装置などである場合、装置にユニットごと組み込むなど適当な場所に設置し易くなる。

また、第４の発明によれば、熱源側回路として冷媒回路（20）を用いるようにしたが、運転時に激しい振動を引き起こす圧縮機は被冷却物の設置室とは別の部屋に設けられるので、半導体製造装置などに対して振動による影響を及ぼすことなく、利用側回路（40）の長さの短縮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。

《発明の実施形態》
本実施形態の冷却装置（10）は、冷却したブラインを被冷却物である半導体製造装置に供給し、この半導体製造装置の温度を一定に保持するための、いわゆるチリングユニットである。図１に示すように、上記冷却装置（10）は、熱源側回路である冷媒回路（20）と、利用側回路であるブライン回路（40）とを備えている。

上記冷媒回路（20）は、圧縮機（31）、凝縮器（32）、受液器であるレシーバ（33）、膨張機構である膨張弁（34）および蒸発器（35）を備え、閉回路に形成されている。この冷媒回路（20）では、熱媒体としての冷媒が充填され、該冷媒を循環させて蒸気圧縮式冷凍サイクルを行うように構成されている。

上記ブライン回路（40）は、循環ポンプ（51）、ヒータ（52）およびタンク（53）を備え、上記蒸発器（35）に接続されている。このブライン回路（40）では、冷却液としてのブラインが循環ポンプ（51）によって蒸発器（35）と被冷却物との間を循環する閉回路に構成されている。

本実施形態の冷却装置（10）では、冷媒回路（20）およびブライン回路（40）が熱源ユニット（11）と利用ユニット（12）とに構成されている。

具体的に、上記熱源ユニット（11）は、冷媒回路（20）の圧縮機（31）、凝縮器（32）およびレシーバ（33）が収納されている。上記凝縮器（32）は、いわゆるプレート式熱交換器により構成され、冷媒が流れる冷媒通路（32a）と冷却水が流れる冷却水通路（32b）とが形成されている。

上記凝縮器（32）の冷媒通路（32a）の入口側端部には、高圧配管である第１ガス管（21）の一端が接続され、出口側端部には、高圧配管である第１液管（22）の一端が接続されている。上記第１ガス管（21）の他端は、圧縮機（31）の吐出側に接続されている。上記第１液管（22）の他端は、レシーバ（33）を介して閉鎖弁（36）に接続され、該閉鎖弁（36）には、熱源ユニット（11）の外部へ延びる連絡液配管（23）の一端が接続されている。上記圧縮機（31）の吸入側には、低圧配管である第３ガス管（27）を介して閉鎖弁（36）が接続され、該閉鎖弁（36）には、熱源ユニット（11）の外部へ延びる連絡ガス配管（26）の一端が接続されている。

上記凝縮器（32）の冷却水通路（32b）には、熱源ユニット（11）の外部より冷却水回路が接続されている。この冷却水回路では、冷却塔（図示せず）より送られた冷却水が冷却水通路（32b）へ供給され、再び冷却塔へ戻る循環を繰り返す。そして、上記凝縮器（32）は、冷媒通路（32a）の冷媒が冷却水通路（32b）の冷却水と熱交換して凝縮するように構成されている。

一方、上記利用ユニット（12）は、冷媒回路（20）の膨張弁（34）および蒸発器（35）と、ブライン回路（40）とが収納されている。上記蒸発器（35）は、いわゆるプレート式熱交換器により構成され、冷媒が流れる冷媒通路（35a）とブラインが流れるブライン通路（35b）とが形成されている。

上記蒸発器（35）の冷媒通路（35a）の入口側端部には、第２液管（24）の一端が接続され、出口側端部には、低圧配管である第２ガス管（25）の一端が接続されている。上記第２液管（24）の他端は、膨張弁（34）を介して閉鎖弁（36）に接続され、該閉鎖弁（36）には、連絡液配管（23）の他端が接続されている。上記第２ガス管（25）の他端には、閉鎖弁（36）が接続され、該閉鎖弁（36）には、連絡ガス配管（26）の他端が接続されている。つまり、上記熱源ユニット（11）と利用ユニット（12）とは、連絡液配管（23）と連絡ガス配管（26）とによって接続されている。

上記蒸発器（35）のブライン通路（35b）の入口側端部には、ブライン回路（40）のブライン戻り管（41）の一端が接続され、出口側端部には、ブライン送り管（42）の一端が接続されている。上記ブライン戻り管（41）の他端は、循環ポンプ（51）およびタンク（53）を順に介して利用ユニット（12）の外部へ延びている。上記ブライン送り管（42）の他端は、ヒータ（52）を介して利用ユニット（12）の外部へ延びている。そして、このブライン戻り管（41）およびブライン送り管（42）の他端は、それぞれブライン戻り連絡管（44）およびブライン送り連絡管（43）を介して被冷却物に接続されている。

上記蒸発器（35）は、冷媒通路（35a）の冷媒とブライン通路（35b）のブラインとが熱交換して蒸発し、ブラインが冷却されるように構成されている。つまり、上記蒸発器（35）は、ブラインを冷却する冷却熱交換器を構成している。そして、上記ブライン回路（40）は、蒸発器（35）で冷却されたブラインがヒータ（52）で温調されて被冷却物へ供給されるように構成されている。

なお、上記ブライン回路（40）には、ブラインの温度検出手段である２つの温度センサ（5a,5b）が設けられている。上記第１温度センサ（5a）は、ブライン戻り管（41）における循環ポンプ（51）の下流側に設けられ、第２温度センサ（5b）は、ブライン送り管（42）におけるヒータ（52）の下流側に設けられている。そして、上記冷却装置（10）では、第１温度センサ（5a）の検出温度に基づいて冷媒回路（20）の膨張弁（34）の開度が主調整され、第２温度センサ（5b）の検出温度に基づいてブライン回路（40）のヒータ（52）容量が調整されると共に膨張弁（34）の開度が微調整される。

図２に示すように、上記熱源ユニット（11）と利用ユニット（12）とは、本発明の特徴として、それぞれ別々の場所に設けられている。上記利用ユニット（12）は、半導体製造装置が設置された製造装置室（第１空間）に配設されている。一方、上記熱源ユニット（11）は、上記製造装置室の階下に位置する設備機器室に配設されている。したがって、上記両ユニット（11,12）の間の連絡液配管（23）および連絡ガス配管（26）は、製造装置室と設備機器室との駆体を貫通して配設されることになる。

上記利用ユニット（12）は、半導体製造装置における、被冷却物である製造容器の近傍に設置されている。この製造容器は、半導体素子を製作加工する場所である。これにより、利用ユニット（12）より延びるブライン送り連絡管（43）およびブライン戻り連絡管（44）の長さを短くすることができる。したがって、上記ブライン回路（40）全体、すなわちブライン循環経路が短くなり、ブラインの使用量を少なくすることができる。さらに、通常、上記冷媒回路（30）の配管には銅管が用いられ、ブライン回路（20）の配管には銅管より材料費の高いステンレス管が用いられるので、ブライン循環経路が短くなることで配管全体の材料費が低減される。

−運転動作−
次に、本実施形態に係る冷却装置（10）の運転動作について説明する。

この冷却装置（10）の運転は、冷媒回路（20）の各閉鎖弁（36,36,・・・）が全開に、膨張弁（34）が所定開度に設定された状態で行われる。この状態で、圧縮機（31）を駆動すると、冷媒回路（20）内を冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。一方、上記ブライン回路（40）において、循環ポンプ（51）を駆動すると、ブラインが蒸発器（35）と被冷却物との間を循環する。

具体的に、上記冷媒回路（20）では、圧縮機（31）から吐出されたガス冷媒が凝縮器（32）へ流れ、冷却水回路の冷却水と熱交換して凝縮する。この凝縮した液冷媒は、レシーバ（33）を経た後、連絡液配管（23）を通って利用ユニット（12）へ流れる。この液冷媒は、膨張弁（34）で減圧された後、蒸発器（35）でブライン回路（40）のブラインと熱交換して蒸発し、ブラインが冷却される。上記蒸発器（35）で蒸発したガス冷媒は、連絡ガス配管（26）を通って熱源ユニット（11）へ流れ、再び圧縮機（31）へ戻る。

一方、上記ブライン回路（40）では、蒸発器（35）で冷却されたブラインがヒータ（52）で温調された後、ブライン送り連絡管（43）を通って被冷却物へ供給される。この被冷却物は、ブラインによって所定温度に維持される。被冷却物を流れたブラインは、ブライン戻り連絡管（44）を通って利用ユニット（12）へ流れ、タンク（53）に貯留される。このタンク（53）のブラインは、循環ポンプ（51）によって再び蒸発器（35）へ流れて冷却される。

ここで、ブライン回路（40）全体が短いので、蒸発器（35）で冷却された、またヒータ（52）で温調されたブラインが途中で吸熱または放熱するのを抑制することができる。これにより、ブラインを殆ど温度変化させることなく被冷却物へ流すことができるので、被冷却物の温度制御を安定させることができる。

また、点検等においてブラインをタンク（53）に回収する場合、ブライン回路（40）におけるブラインの使用量が少ないので、回収に要する時間を短縮することができると共に、タンク（53）の容量を小さくすることができる。これにより、点検時間の短縮および利用ユニット（12）の小型化を図ることができる。

−実施形態の効果−
以上のように、本実施形態によれば、蒸発器（35）とブライン回路（40）とを圧縮機（31）等が設置される設備機器室とは別の部屋であって、被冷却物が設置される製造装置室に配設するようにしたので、ブライン回路（40）を短くすることができる。これにより、ブラインの使用量が少なくてすむので、点検等においてブライン回収時間を短縮することができる。この結果、点検作業の効率化を図ることができる。

また、ブラインの使用量が少ないことから、ブラインを回収するタンク（53）の容量が小さくすむ。したがって、装置のコスト低減を図ることができると共に、利用ユニット（12）の小型化を図ることができる。

また、上記ブライン回路（40）を短くできることから、温調されたブラインが被冷却物へ流れるまでの間に生じるブラインの温度変化を抑制することができる。これにより、被冷却物の温度制御を高精度に安定させることができる。

さらに、通常、上記ブライン回路（40）には冷媒回路（30）に用いられる銅管よりも材料費の高いステンレス管が用いられるので、ブライン回路（40）を短くできることによって配管全体の材料費を低減することができる。

また、上記製造装置室は、設備機器室の階上に位置しているが、従来の冷却装置のようにブライン回路（40）を階下から階上まで配管しなくてもよいので、循環ポンプ（51）の必要揚力を低減することができる。したがって、上記循環ポンプ（51）のコスト低減を図ることができる。

また、上記蒸発器（35）とブライン回路（40）とを１つの利用ユニット（12）に構成したので、被冷却物である半導体製造装置の近傍に且つコンパクトに設置し易くなる。これにより、ブライン回路（40）を一層短くできる。

また、本実施形態では、熱源側回路として冷媒回路（20）を用いるようにしたが、運転時に激しい振動を引き起こす圧縮機（31）を半導体製造装置の設置室とは別の部屋に設けているので、半導体製造装置に対して振動による影響を及ぼすことない。

−実施形態の変形例１−
これから説明する変形例１から変形例３は、何れも利用ユニット（12）の設置場所を変更したものである。先ず、変形例１は、図３に示すように、上記利用ユニット（12）を被冷却物である製造容器の近傍であって、半導体製造装置における適当なスペースに組み込むようにしたものである。これにより、利用ユニット（12）のスペースを別途設ける必要がなくなる。その他の構成、作用および効果は上述した実施形態と同様である。

−実施形態の変形例２−
この変形例２は、図４に示すように、利用ユニット（12）を半導体製造装置の点検スペースなどに設け、点検台を兼ねるようにしたものである。これにより、利用ユニット（12）を有効に活用できる。また、冷媒の連絡液配管（23）および連絡ガス配管（26）を駆体の下方に設けられる他の設備の配管や電線の設置スペースを利用して配管するようにしたものである。これにより、連絡液配管（23）等を他設備設と緩衝しないように設備機器室の側壁に沿って駆体まで立ち上げてから、所定の場所で駆体を貫通させて階上に導くことができる。その他の構成、作用および効果は上述した実施形態と同様である。

−実施形態の変形例３−
この変形例３は、図５に示すように、利用ユニット（12）を上述した駆体下方の電線等の設置スペースに設けるようにしたものである。したがって、いわゆるデッドスペース（死空間）を有効利用するので、利用ユニット（12）の設置場所を新たに設ける必要がなくなる。その他の構成、作用および効果は上述した実施形態と同様である。

《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。

例えば、上記実施形態において、被冷却物へブラインを供給するブライン回路（40）が、純水を供給する純水回路であってもよい。

また、上記冷媒回路（20）の凝縮器（32）を冷媒と冷却水とを熱交換させる熱交換器により構成したが、冷媒と空気とを熱交換させるいわゆるクロスフィン式のフィン・アンド・チューブ型熱交換器により構成するようにしてもよい。その場合、凝縮器（32）の近傍には室内空気を取り込むためのファンが設けられる。

また、上記熱源ユニット（11）を屋外に設置するようにしてもよいし、熱源ユニット（11）の設置室と利用ユニット（12）の設置室とは階上階下の位置関係に限られるものではなく、互いが隣り合う位置関係であってもよい。すなわち、上記利用ユニット（12）が熱源ユニット（11）とは別の被冷却物の設置室に配設されればよい。

また、上記実施形態では、熱源側回路として冷媒回路（20）を用いるようにしたが、冷却水を循環させ、冷却熱交換器で冷却水がブラインと熱交換して該ブラインを冷却する冷却水回路を用いるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明は、半導体製造装置などの被冷却物に対してブラインや純水を供給する冷却装置として有用である。

実施形態に係る冷却装置の全体構成を示す配管系統図である。 実施形態に係る冷却装置と被冷却物との配置関係を示す斜視図である。 変形例１に係る冷却装置と被冷却物との配置関係を熱源ユニットを省略して示す斜視図である。 変形例２に係る冷却装置と被冷却物との配置関係を熱源ユニットを省略して示す斜視図である。 変形例３に係る冷却装置と被冷却物との配置関係を熱源ユニットを省略して示す斜視図である。

符号の説明

10 冷却装置
20 冷媒回路（熱源側回路）
35 蒸発器（冷却熱交換器）
40 ブライン回路（利用側回路）

Claims (4)

1. 冷却熱交換器（35）と、
   該冷却熱交換器（35）に熱媒体を流す熱源側回路（20）と、
   上記冷却熱交換器（35）に冷却液を流し、上記熱源側回路（20）の熱媒体と熱交換して冷却された冷却液を被冷却物へ供給する利用側回路（40）とを備えた冷却装置であって、
   上記冷却熱交換器（35）および利用側回路（40）は、被冷却物が設置された第１空間に配設される一方、
   上記熱源側回路（20）は、上記第１空間とは別の第２空間に配設されている
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１において、
   上記第１空間は、第２空間の階上に位置している
   ことを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１または２において、
   上記冷却熱交換器（35）と利用側回路（40）とは、１つのユニットに構成され、被冷却物の近傍に配設されている
   ことを特徴とする冷却装置。
4. 請求項２または３において、
   上記熱源側回路（20）は、熱媒体としての冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路であり、
   上記冷却熱交換器（35）は、冷媒が利用側回路（40）の冷却液と熱交換して蒸発する蒸発器として機能している
   ことを特徴とする冷却装置。

Images