JP2007294887A - Substrate cooling device and structure cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却プレートに載置した液晶表示装置用ガラス基板や半導体ウェハー等の薄板状電子部品用基板(以下、単に「基板」と称する)を所定温度に冷却する基板冷却装置および冷却プレートが装着される構造物を所定温度に冷却する構造物冷却装置に関する。 The present invention provides a substrate cooling device and a cooling plate for cooling a thin plate-like electronic component substrate (hereinafter simply referred to as “substrate”) such as a glass substrate for a liquid crystal display device or a semiconductor wafer placed on a cooling plate to a predetermined temperature. The present invention relates to a structure cooling apparatus for cooling a structure to be mounted to a predetermined temperature.
一般に、フラットパネルディスプレイやカラーフィルタを製造する工程にはガラス基板の熱処理工程が含まれている。また、半導体デバイスを製造する工程にも半導体ウェハーの熱処理工程が多数含まれている。通常、基板の熱処理工程は、基板を所定の加熱温度に加熱する加熱処理と、加熱後の基板を冷却する冷却処理とが対として行われることが多い。 In general, a process for manufacturing a flat panel display or a color filter includes a heat treatment process for a glass substrate. In addition, a semiconductor device manufacturing process includes a number of semiconductor wafer heat treatment processes. Usually, in the heat treatment process for a substrate, a heat treatment for heating the substrate to a predetermined heating temperature and a cooling treatment for cooling the heated substrate are often performed as a pair.
従来より、基板の冷却処理の手法としては、所定の冷却温度に維持された板状体の上に基板を載置して冷却する方式のものが多い。例えば、特許文献1,2には、板状体の内部空間に冷却液を流して該板状体を冷却温度に維持し、その板状体の上に基板を載置して冷却する技術が開示されている。また、特許文献3には、基板を載置する板状体の内部に流路を設け、その流路に冷却液を流して板状体を冷却温度に降温して基板を冷却する技術が開示されている。これらは、いずれも冷却器を使用してエチレングリコール等の冷却液を所定の温度に冷却し、その温調された冷却液を板状体の内部に流すというものである。加熱処理後の基板が板状体に載置されると、基板から板状体を介して冷却液に熱伝達が生じ、基板の冷却が進行すると同時に冷却液の温度上昇が生じる。昇温した冷却液では基板を目標とする冷却温度にまで冷却することができないため、絶えず新たな冷却液を冷却器から板状体に供給するとともに昇温した冷却液を冷却器に戻して再度所定温度に冷却するようにしている。すなわち、冷却器と板状体との間で冷却液の循環を行うことによって、板状体を常に一定の冷却温度に維持するようにしている。
Conventionally, as a method for cooling a substrate, there are many methods in which a substrate is placed on a plate-like body maintained at a predetermined cooling temperature and cooled. For example, in
上記のような従来の冷却処理においては、高温の基板から板状体を介した冷却液への熱伝達が基板冷却の基本原理となっているが、特許文献1〜3に開示されている冷却処理の熱伝達はいずれも相変化を伴わない対流熱伝達(正確にはポンプ等によって強制的に流動される強制対流熱伝達)である。このような強制対流熱伝達では良好な熱伝達効率が得られ難いという問題がある。
In the conventional cooling process as described above, heat transfer from the high-temperature substrate to the coolant via the plate-like body is the basic principle of substrate cooling, but the cooling disclosed in
また、ガラス基板のような精密電子デバイス用の基板の冷却処理には、基板の面内温度分布をなるべく均一にすることが要求される。しかしながら、上記従来の冷却処理においては、板状体の内部に冷却液を流しているため、その入口側温度と出口側温度とでは不可避的に微妙な温度差が生じることとなっていた。すなわち、基板の冷却処理中においては、板状体への入口側の冷却液温度は冷却器によって冷却された温度となっているが、出口側の冷却液温度は基板からの伝熱によって若干上昇している。このため、板状体の入口側近傍よりも出口側近傍の方が若干温度が高くなり、その結果冷却処理中における基板の面内温度分布均一性を損なうという問題があった。 Further, in the cooling process of a substrate for precision electronic devices such as a glass substrate, it is required to make the in-plane temperature distribution of the substrate as uniform as possible. However, in the above-described conventional cooling process, since the cooling liquid is caused to flow inside the plate-like body, a delicate temperature difference is inevitably generated between the inlet side temperature and the outlet side temperature. That is, during the cooling process of the substrate, the coolant temperature on the inlet side to the plate-like body is the temperature cooled by the cooler, but the coolant temperature on the outlet side slightly increases due to heat transfer from the substrate. is doing. For this reason, there is a problem that the temperature in the vicinity of the exit side is slightly higher than the vicinity of the entrance side of the plate-like body, and as a result, the in-plane temperature distribution uniformity of the substrate during the cooling process is impaired.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、良好な冷却効率が得られ、しかも冷却中の基板の面内温度分布均一性を維持することができる基板冷却装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a substrate cooling apparatus capable of obtaining good cooling efficiency and maintaining the in-plane temperature distribution uniformity of the substrate being cooled. And
また、本発明は、良好な冷却効率が得られ、しかも冷却中の構造物の温度分布均一性を維持することができる構造物冷却装置を提供することを目的とする。 Another object of the present invention is to provide a structure cooling apparatus that can obtain good cooling efficiency and can maintain the temperature distribution uniformity of the structure being cooled.
上記課題を解決するため、請求項1の発明は、冷却プレートに載置した基板を所定温度に冷却する基板冷却装置において、前記冷却プレートの内部に中空部を設けるとともに、前記中空部に冷媒の飽和液を充盈している。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of
また、請求項2の発明は、請求項1の発明に係る基板冷却装置において、前記冷却プレートに、前記中空部の最も低い高さ位置に設けられ、前記中空部に冷媒の飽和液を供給する液体供給口と、前記中空部の最も高い高さ位置に設けられ、前記中空部にて沸騰した冷媒の飽和液から生じた冷媒の蒸気を排出する気体排出口と、を備える。 According to a second aspect of the present invention, in the substrate cooling apparatus according to the first aspect of the present invention, the cooling plate is provided at the lowest height position of the hollow portion, and a saturated liquid of refrigerant is supplied to the hollow portion. A liquid supply port; and a gas discharge port that is provided at the highest height position of the hollow portion and discharges the vapor of the refrigerant generated from the saturated liquid of the refrigerant boiling in the hollow portion.
また、請求項3の発明は、請求項1の発明に係る基板冷却装置において、前記冷却プレートに、前記中空部に冷媒の飽和液を供給する液体供給口と、前記中空部にて沸騰した冷媒の飽和液から生じた冷媒の蒸気を排出する気体排出口と、を備え、前記中空部に、前記液体供給口と連通し、第1の方向に沿って延びる供給側流路と、前記気体排出口と連通し、前記供給側流路と平行に設けられた排出側流路と、前記第1の方向に沿って前記供給側流路と前記排出側流路との間に列設され、前記供給側流路と前記排出側流路とを連通接続する複数の連絡流路と、を備える。
Further, the invention of
また、請求項4の発明は、請求項3の発明に係る基板冷却装置において、前記第1の方向を水平方向とし、前記排出側流路を前記供給側流路よりも高い位置に設けている。 According to a fourth aspect of the present invention, in the substrate cooling apparatus according to the third aspect of the present invention, the first direction is a horizontal direction, and the discharge-side flow path is provided at a position higher than the supply-side flow path. .
また、請求項5の発明は、請求項3または請求項4の発明に係る基板冷却装置において、前記連絡流路の長さを、発生した冷媒の蒸気が流れるときの圧損による冷媒の飽和温度の変動が所定範囲以下となる基準長さとしている。
Further, the invention of claim 5 is the substrate cooling apparatus according to
また、請求項6の発明は、請求項5の発明に係る基板冷却装置において、前記基準長さを前記飽和温度の変動が±1℃以下となる長さとしている。 According to a sixth aspect of the present invention, in the substrate cooling apparatus according to the fifth aspect of the present invention, the reference length is set such that a variation in the saturation temperature is ± 1 ° C. or less.
また、請求項7の発明は、請求項5または請求項6の発明に係る基板冷却装置において、前記冷却プレートに、前記液体供給口、前記気体排出口、前記供給側流路、前記排出側流路および前記基準長さの複数の連絡流路を有する単位給排系を、前記第1の方向と直交する第2の方向に沿って複数並設して備える。 The invention of claim 7 is the substrate cooling apparatus according to claim 5 or 6, wherein the liquid supply port, the gas discharge port, the supply side flow path, the discharge side flow are provided in the cooling plate. A plurality of unit supply / discharge systems having a path and a plurality of communication channels of the reference length are provided in parallel along a second direction orthogonal to the first direction.
また、請求項8の発明は、請求項5または請求項6の発明に係る基板冷却装置において、前記液体供給口、前記気体排出口、前記供給側流路、前記排出側流路および前記基準長さの複数の連絡流路を有する冷却プレートを、前記第1の方向と直交する第2の方向に沿って複数並設して備える。 The invention according to claim 8 is the substrate cooling apparatus according to claim 5 or claim 6, wherein the liquid supply port, the gas discharge port, the supply side flow channel, the discharge side flow channel, and the reference length. A plurality of cooling plates having a plurality of connecting flow paths are provided side by side along a second direction orthogonal to the first direction.
また、請求項9の発明は、請求項2から請求項8のいずれかの発明に係る基板冷却装置において、冷媒の蒸気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって生成された冷媒の過熱蒸気を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器によって生成された冷媒の飽和液または過冷却液を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁にて生成された冷媒の飽和液と飽和蒸気との混合相を液相と気相とに分離する気液分離器と、をさらに備え、前記気液分離器にて分離された冷媒の飽和液のみを前記液体供給口から前記中空部に供給している。 According to a ninth aspect of the present invention, in the substrate cooling apparatus according to any one of the second to eighth aspects, the compressor that compresses the vapor of the refrigerant and the superheated vapor of the refrigerant generated by the compressor are provided. A liquid phase is a mixed phase of a condenser to be condensed, an expansion valve for expanding a saturated liquid or a supercooled liquid of the refrigerant generated by the condenser, and a saturated liquid and a saturated vapor of the refrigerant generated by the expansion valve. And a gas-liquid separator that separates into a gas phase, and only the saturated liquid of the refrigerant separated by the gas-liquid separator is supplied to the hollow portion from the liquid supply port.
また、請求項10の発明は、請求項9の発明に係る基板冷却装置において、前記中空部にて沸騰した冷媒の飽和液から生じた冷媒の蒸気を前記気体排出口から前記気液分離器に帰還させている。
Further, the invention of
また、請求項11の発明は、請求項9または請求項10の発明に係る基板冷却装置において、前記冷却プレートの温度を計測する温度計測部と、前記気液分離器から前記圧縮機に冷媒の蒸気を送給する配管に介挿された圧力調整弁と、前記温度計測部によって計測された前記冷却プレートの温度に基づいて、前記冷却プレートの温度が前記所定温度となるように前記圧力調整弁を制御して前記気液分離器内の蒸気圧力を調整する温度制御手段と、をさらに備える。
The invention of
また、請求項12の発明は、請求項9から請求項11のいずれかの発明に係る基板冷却装置において、前記気液分離器内に貯留されている冷媒の飽和液の液面レベルを検出する液面レベル検出部と、前記液面レベル検出部の検出結果に基づいて、前記気液分離器内に貯留されている冷媒の飽和液の液面レベルが一定となるように前記圧縮機の動作を制御するレベル制御手段と、をさらに備える。 According to a twelfth aspect of the present invention, in the substrate cooling apparatus according to any of the ninth to eleventh aspects of the invention, the liquid level of the saturated liquid of the refrigerant stored in the gas-liquid separator is detected. Based on the detection result of the liquid level detection unit and the liquid level detection unit, the compressor operates so that the liquid level of the saturated liquid of the refrigerant stored in the gas-liquid separator is constant. Level control means for controlling.
また、請求項13の発明は、冷却プレートが装着される構造物を所定温度に冷却する構造物冷却装置において、前記冷却プレートの内部に中空部を設けるとともに、前記中空部に冷媒の飽和液を充盈している。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the structure cooling apparatus for cooling a structure to which a cooling plate is mounted to a predetermined temperature, a hollow portion is provided inside the cooling plate, and a saturated liquid coolant is provided in the hollow portion. It is full.
請求項1の発明によれば、冷却プレートの内部に設けた中空部に冷媒の飽和液を充盈するため、飽和液の沸騰熱伝達を十分に利用した良好な冷却効率が得られるとともに、飽和液に圧力差が生じるのを防いでプレート面内の温度分布を均一とし、冷却中の基板の面内温度分布均一性を維持することができる。 According to the first aspect of the present invention, since the saturated liquid of the refrigerant is filled in the hollow portion provided inside the cooling plate, good cooling efficiency can be obtained by sufficiently utilizing the boiling heat transfer of the saturated liquid, and the saturated liquid It is possible to make the temperature distribution in the plate surface uniform by preventing the pressure difference from being generated, and to maintain the in-plane temperature distribution uniformity of the substrate being cooled.
また、請求項2の発明によれば、冷却プレートに、中空部の最も低い高さ位置に設けられ、中空部に冷媒の飽和液を供給する液体供給口と、中空部の最も高い高さ位置に設けられ、中空部にて沸騰した冷媒の飽和液から生じた冷媒の蒸気を排出する気体排出口と、を備えるため、発生した冷媒の蒸気が円滑に上方から抜けて中空部内には絶えず冷媒の飽和液が静かに満たされた状態に維持でき、請求項1の効果を確実に得ることができる。
According to the second aspect of the present invention, the cooling plate is provided at the lowest height position of the hollow portion, the liquid supply port for supplying the saturated liquid of the refrigerant to the hollow portion, and the highest height position of the hollow portion. And a gas discharge port for discharging the vapor of the refrigerant generated from the saturated liquid of the refrigerant boiled in the hollow portion, so that the generated vapor of the refrigerant smoothly escapes from above and continuously enters the hollow portion. The saturated liquid can be maintained in a quietly filled state, and the effect of
また、請求項3の発明によれば、冷却プレートに、中空部に冷媒の飽和液を供給する液体供給口と、中空部にて沸騰した冷媒の飽和液から生じた冷媒の蒸気を排出する気体排出口と、を備え、中空部に、液体供給口と連通し、第1の方向に沿って延びる供給側流路と、気体排出口と連通し、供給側流路と平行に設けられた排出側流路と、第1の方向に沿って供給側流路と排出側流路との間に列設され、供給側流路と排出側流路とを連通接続する複数の連絡流路と、を備えるため、冷却プレートの内部に均一にかつ静かに冷媒の飽和液を満たすことができ、請求項1の効果を確実に得ることができる。
According to the invention of
また、請求項4の発明によれば、排出側流路が供給側流路よりも高い位置に設けられているため、発生した冷媒の蒸気が円滑に上方から抜けて中空部内には絶えず冷媒の飽和液が静かに満たされた状態に維持でき、請求項1の効果を確実に得ることができる。
Further, according to the invention of claim 4, since the discharge side flow path is provided at a position higher than the supply side flow path, the generated refrigerant vapor smoothly escapes from above and is continuously supplied into the hollow portion. The saturated liquid can be maintained in a gently filled state, and the effect of
また、請求項5の発明によれば、連絡流路の長さを発生した冷媒の蒸気が流れるときの圧損による冷媒の飽和温度の変動が所定範囲以下となる基準長さとしているため、プレート面内の温度分布を高精度に均一にすることができる。 Further, according to the invention of claim 5, since the length of the communication flow path is set to a reference length in which the variation of the saturation temperature of the refrigerant due to the pressure loss when the vapor of the refrigerant flows flows is a predetermined length or less, the plate surface The temperature distribution inside can be made uniform with high accuracy.
また、請求項6の発明によれば、基準長さを飽和温度の変動が±1℃以下となる長さとしているため、プレート面内の温度分布を高精度に均一にすることができる。 In addition, according to the invention of claim 6, since the reference length is set to such a length that the variation of the saturation temperature is ± 1 ° C. or less, the temperature distribution in the plate surface can be made uniform with high accuracy.
また、請求項7の発明によれば、冷却プレートに、液体供給口、気体排出口、供給側流路、排出側流路および基準長さの複数の連絡流路を有する単位給排系を、第1の方向と直交する第2の方向に沿って複数並設して備えるため、大型の基板であっても温度分布均一性を損なうことなく冷却することができる。 According to the invention of claim 7, the cooling plate is provided with a unit supply / discharge system having a liquid supply port, a gas discharge port, a supply side flow channel, a discharge side flow channel, and a plurality of communication channels of a reference length. Since a plurality of the substrates are arranged in parallel along the second direction perpendicular to the first direction, even a large substrate can be cooled without impairing the temperature distribution uniformity.
また、請求項8の発明によれば、液体供給口、気体排出口、供給側流路、排出側流路および基準長さの複数の連絡流路を有する冷却プレートを、第1の方向と直交する第2の方向に沿って複数並設して備えるため、大型の基板であっても温度分布均一性を損なうことなく冷却することができる。 According to the invention of claim 8, the cooling plate having a liquid supply port, a gas discharge port, a supply side flow channel, a discharge side flow channel, and a plurality of communication flow channels having a reference length is orthogonal to the first direction. Since a plurality of the substrates are arranged in parallel along the second direction, even a large substrate can be cooled without impairing temperature distribution uniformity.
また、請求項9の発明によれば、気液分離器にて冷媒の飽和液と飽和蒸気との混合相から分離された冷媒の飽和液のみを冷却プレートの中空部に供給しているため、請求項1の効果を確実に得ることができる。
Further, according to the invention of claim 9, since only the refrigerant saturated liquid separated from the mixed phase of the refrigerant saturated liquid and the saturated vapor is supplied to the hollow portion of the cooling plate by the gas-liquid separator, The effect of
また、請求項10の発明によれば、冷却プレートの中空部にて沸騰した冷媒の飽和液から生じた冷媒の蒸気を気液分離器に帰還させているため、冷媒を循環利用することができる。
According to the invention of
また、請求項11の発明によれば、温度計測部によって計測された冷却プレートの温度に基づいて、冷却プレートの温度が所定温度となるように圧力調整弁を制御して気液分離器内の蒸気圧力を調整するため、冷却プレートの温度を一定にして安定した基板冷却処理を行うことができる。 According to the eleventh aspect of the invention, based on the temperature of the cooling plate measured by the temperature measuring unit, the pressure regulating valve is controlled so that the temperature of the cooling plate becomes a predetermined temperature, so that the inside of the gas-liquid separator is Since the vapor pressure is adjusted, a stable substrate cooling process can be performed with the cooling plate temperature kept constant.
また、請求項12の発明によれば、液面レベル検出部の検出結果に基づいて、気液分離器内に貯留されている冷媒の飽和液の液面レベルが一定となるように圧縮機の動作を制御するため、冷却プレートに安定して冷媒の飽和液を供給し続けることができる。
According to the invention of
また、請求項13の発明によれば、冷却プレートの内部に設けた中空部に冷媒の飽和液を充盈するため、飽和液の沸騰熱伝達を十分に利用した良好な冷却効率が得られるとともに、飽和液に圧力差が生じるのを防いでプレート面内の温度分布を均一とし、冷却中の構造物の温度分布均一性を維持することができる。
According to the invention of
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る基板冷却装置の冷却システムの構成を示す図である。同図において、実線にて示しているのは流体(液相、気相またはそれらの混合相)の流れであり、点線にて示しているのは電気信号の流れである。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a cooling system of a substrate cooling apparatus according to the present invention. In the figure, a solid line indicates a flow of a fluid (liquid phase, gas phase, or a mixed phase thereof), and a dotted line indicates an electric signal flow.
本実施形態の基板冷却装置1は、コールドプレート10に載置したガラス基板Wを冷媒を使用して所定の冷却温度にまで冷却するものである。本実施形態の基板冷却装置1において使用している冷媒はフロン(R134a)である。なお、フロン(R134a)は、オゾン層を破壊するとされているいわゆる特定フロンではなく、オゾン破壊係数”0”の代替フロンである。
The
基板冷却装置1は、コールドプレート10の他に、主として圧縮機20、コンデンサ(凝縮器)30、膨張弁40および気液分離器50を備えている。圧縮機20は、コンデンサ30およびエバポレータ(蒸発器)70と配管を介して連通接続されており、エバポレータ70から冷媒の蒸気を吸引するとともに、その蒸気を圧縮して圧力を高めてコンデンサ30に送給する機能を有する。圧縮機20としては、吸引した蒸気の体積を押し縮めて圧縮する容積圧縮機(往復式等)、または、高速で回転する羽根車で蒸気に速度を与え、圧力に変換して圧縮する遠心圧縮機等の公知の種々の圧縮機を用いることができる。
In addition to the
コンデンサ30は、圧縮機20および膨張弁40と配管を介して連通接続されており、圧縮機20から送給されてきた冷媒蒸気を受け入れ、それを凝縮させて液化する機能を有する。通常処理が進行しているときには、コンデンサ30にて生成された冷媒の液体は膨張弁40に送り込まれる。コンデンサ30としては、水冷凝縮器、空冷凝縮器、蒸発式凝縮器等の公知の凝縮器を使用することができる。
The
膨張弁40は、コンデンサ30および気液分離器50と配管を介して連通接続されており、コンデンサ30から送り出されてきた冷媒液を絞り膨張させて気液分離器50に送り出す。膨張弁40は、冷媒が通過する流量を切り換える機能を有しており、大流量と小流量との二段階に切り換えることが可能である。
The
気液分離器50は、膨張弁40から送り出された冷媒を気相と液相とに分離する。分離された冷媒の液相は気液分離器50内の下方に貯留され、気相は気液分離器50内の上方に蓄積される。気液分離器50にはレベルセンサ55が付設されており、レベルセンサ55は気液分離器50内に貯留されている冷媒の液相の液面レベルを検出する。なお、レベルセンサ55としては、光学式のセンサ等公知の種々のものを使用することができる。
The gas-
気液分離器50の上部(つまり冷媒の気相が蓄積されるべき部分)は、配管を介してアキュムレータ60に連通接続されている。アキュムレータ60も気液分離器の一種であり、気液分離器50から送り出されてきた冷媒の気相中に液相が含まれていた場合に、その液相を分離して気相のみをエバポレータ70に送り出す。また、気液分離器50とアキュムレータ60とを連結する配管の経路途中には圧力調整弁80が介挿されている。圧力調整弁80は、気液分離器50の内部空間から圧力調整弁80に至る管路の圧力を連続的に調整することが可能である。
The upper part of the gas-liquid separator 50 (that is, the part where the gas phase of the refrigerant is to be accumulated) is connected to the
エバポレータ70は、配管を介してアキュムレータ60および圧縮機20と連通接続されており、アキュムレータ60から送給されてきた冷媒を完全に気相のみの状態として圧縮機20に送り出す。圧縮機20が非圧縮性の液相を含む冷媒を吸引するとミストによるエロージョン(浸食)を起こして障害を引き起こすおそれがあるため、圧縮機20に気相のみの冷媒を送り込むことができるようにアキュムレータ60およびエバポレータ70が設けられている。本実施形態の基板冷却装置1においては、気液分離器50から圧力調整弁80を介して送り出される冷媒は原理的は気相単相であるが、何らかの契機で液相が含まれていたとしても圧縮機20に液相が吸引されないようにするためのいわば保険としてアキュムレータ60およびエバポレータ70は設けられている。なお、アキュムレータ60およびエバポレータ70の双方を設置する必要は必ずしもなく、いずれか一方を設けるようにしても良い。
The
図2は、コールドプレート10の斜視図である。また、図3は、コールドプレート10の内部構造を示す図2のV−V線断面図である。なお、図2および以降の各図にはそれらの方向関係を明確にするためZ軸方向を鉛直方向とし、XY平面を水平面とするXYZ直交座標系を適宜付している。
FIG. 2 is a perspective view of the
コールドプレート10のプレート本体部11は、平面視矩形形状の平板であり、熱伝導の良好な金属(本実施形態ではアルミニウム)にて形成されている。冷却処理の対象となるガラス基板Wはプレート本体部11の表面に載置される。プレート本体部11の表面は耐摩耗性の向上と剥離帯電を防止するためにアルマイト処理がなされている。
The plate
プレート本体部11の下面側にはX軸方向に沿って入口ヘッダ12が固設されている。入口ヘッダ12は、中心線に沿って供給側流路12bが貫通して設けられた四角柱形状の部材である。供給側流路12bの両端が液体供給口12aとして開口している。すなわち、供給側流路12bは、液体供給口12aと連通し、水平方向であるX軸方向(第1の方向)に沿って延びる管路である。
An
また、プレート本体部11の側方端面にはX軸方向に沿って出口ヘッダ13が固設されている。出口ヘッダ13は、中心線に沿って排出側流路13bが貫通して設けられた四角柱形状の部材である。出口ヘッダ13は入口ヘッダ12よりも高位置であるため、排出側流路13bは供給側流路12bよりも高い位置に設けられることとなる。排出側流路13bの両端が気体排出口13aとして開口している。すなわち、排出側流路13bは、気体排出口13aと連通し、X軸方向に沿って供給側流路12bと平行に延びる管路である。なお、入口ヘッダ12および出口ヘッダ13の材質は、プレート本体部11と同じ材質とすれば良い。
An
供給側流路12bと排出側流路13bとの間にはX軸方向に沿って互いに平行に複数の連絡流路14が列設されている。各連絡流路14はY軸方向に沿って延びるように形成された流体通過可能な管路である。複数の連絡流路14のそれぞれの一端は供給側流路12bに連通接続されるとともに、他端は排出側流路13bに連通接続されている。これによって、コールドプレート10の内部には供給側流路12b、排出側流路13bおよび連絡流路14にて構成される中空部が形成されることとなり、液体供給口12aと気体排出口13aとは供給側流路12b、排出側流路13bおよび連絡流路14を介して連通することとなる。
A plurality of
供給側流路12bの両端開口部である液体供給口12aは気液分離器50の下部(つまり冷媒の液相が貯留されるべき部分)と配管を介して連通接続される。一方、排出側流路13bの両端開口部である気体排出口13aは気液分離器50の上部(冷媒の気相が蓄積されるべき部分)と配管を介して連通接続されている。なお、液体供給口12aおよび気体排出口13aと気液分離器50とをそれぞれ連通接続する配管がコールドプレート10にガラス基板Wを搬出入するための搬送ロボットと干渉しないように設けられていることは勿論である。
The
このような構成によって、液体供給口12aはコールドプレート10の中空部のガラス基板Wの載置面に垂直な方向(Z方向)の最も低い高さ位置に設けられた開口となり、気液分離器50内に貯留された冷媒液は液体供給口12aを介して当該中空部に供給される。また、気体排出口13aはコールドプレート10の中空部のガラス基板Wの載置面に垂直な方向の最も高い高さ位置に設けられた開口となり、当該中空部内で生じた冷媒の蒸気は気体排出口13aから気液分離器50へと排出される。
With such a configuration, the
図1に戻り、コールドプレート10には温度センサ19が付設されている。温度センサ19は、コールドプレート10の表面近傍の温度を計測する。温度センサ19には、例えば熱電対を使用することができる。
Returning to FIG. 1, a
また、基板冷却装置1における流体経路としては、上記以外に、コンデンサ30から膨張弁40に至る配管から分岐してアキュムレータ60からエバポレータ70に至る配管に合流するバイパス配管が設けられている。このバイパス配管の経路途中にはバイパス弁85が介挿されている。バイパス弁85は、通常処理時には閉じられており、コールドプレート10の温度が所定の設定範囲を超えて異常降下したときに開けられて冷媒を直接エバポレータ70に帰還させる。
In addition to the above, the fluid path in the
基板冷却装置1の制御機構としては、装置全体を管理する制御部90の他に温度コントローラ93とレベルコントローラ96とが設けられている。これらはいずれもCPU等を備えた通常のコンピュータと同様に構成されている。温度コントローラ93は、温度センサ19によって計測されたコールドプレート10の温度に基づいて圧力調整弁80およびバイパス弁85を制御する。また、レベルコントローラ96は、レベルセンサ55によって検出された気液分離器50内の液面レベルに基づいて圧縮機20の動作を制御する。さらに、制御部90は圧縮機20の稼働状態に基づいて膨張弁40を制御する。なお、これら各制御機構による具体的な制御内容についてはさらに後述する。
As a control mechanism of the
次に、上記構成を有する基板冷却装置1における動作内容について説明する。図4は、モリエル線図(Mollier diagram)であり、冷媒の状態を表すものである。図4の縦軸は圧力を示し、横軸はエンタルピーを示している。同図中において、飽和液線L1よりも左側が過冷却の液相であり、飽和蒸気線L2よりも右側が過熱蒸気の気相であり、飽和液線L1と飽和蒸気線L2との間が混相となる。また、図4のKは臨界点を示している。以下、適宜図4を参照しつつ説明を続ける。
Next, the operation content in the
まず、圧縮機20に吸引される冷媒の蒸気は状態Aで示される冷媒の過熱蒸気であり、気相のみの状態である。この冷媒の蒸気が圧縮機20によって圧縮されることにより状態Bで示される過熱蒸気となる。圧縮機20による圧縮行程が断熱圧縮(冷媒と外部との間に熱の出入りのない圧縮)であるとすると、冷媒の蒸気は状態Aから等エントロピー線に沿って圧力が上昇するとともに温度も上昇し、圧縮機20の出口近傍では状態Bの過熱蒸気となる。なお、状態Bで示される冷媒の過熱蒸気が気相単相であることは勿論である。
First, the refrigerant vapor sucked into the
圧縮機20によって生成された状態Bで示される冷媒の過熱蒸気はコンデンサ30に流入し、コンデンサ30にて冷却されて状態Bの圧力に対応する飽和温度の飽和液に凝縮され、さらに過冷却されて状態Cで示される過冷却液となる。状態Cで示される冷媒の過冷却液は液相のみの状態である。なお、コンデンサ30は必ずしも溶媒を過冷却する必要は無く、飽和液にまで凝縮するものであっても良い。
The refrigerant superheated steam shown in the state B generated by the
コンデンサ30によって生成された状態Cで示される冷媒の過冷却液は膨張弁40へと流れる。コンデンサ30から膨張弁40へと冷媒液が流れる過程で外部と熱の授受がなく、流れによる圧力降下もないとすると、膨張弁40に流入する直前の冷媒液は状態Cのままである。そして、状態Cで示される冷媒の過冷却液が膨張弁40を通過するときに膨張が生じ、冷媒は状態Dで示される混相状態となる。冷媒の過冷却液が膨張弁40を通過するときには、冷媒への熱の出入りはなく(断熱膨張)、また冷媒が何らかの仕事をすることもなく、単に膨張して圧力が降下するだけである。すなわち、状態Cのエンタルピーと状態Dのエンタルピーとは等しい。
The refrigerant supercooling liquid generated in the state C generated by the
膨張弁40を通過することによって生成された状態Dにて示される冷媒の混合相は、状態Eで示される冷媒の飽和液と、状態Fで示される冷媒の飽和蒸気とが混合したものである。このような冷媒の混合相が膨張弁40から気液分離器50に送給され、気液分離器50内にて液相(状態Eの飽和液)と気相(状態Fの飽和蒸気)とに分離される。分離された冷媒の飽和液は気液分離器50内の下方に貯留され、冷媒の飽和蒸気は気液分離器50内の上方に蓄積される。
The refrigerant mixed phase indicated by the state D generated by passing through the
そして、気液分離器50内に貯留された冷媒の飽和液は入口ヘッダ12の液体供給口12aを介してコールドプレート10内の中空部に供給される。ここで、液体供給口12aと連通する配管は気液分離器50の下部に接続されており、コールドプレート10の中空部へは気液分離器50にて分離された冷媒の飽和液のみが供給されることとなる。また、液体供給口12aはコールドプレート10の中空部の最も低い高さ位置に設けられているため、当該中空部へは冷媒の飽和液が下から導入され、中空部内に冷媒飽和液が確実に充盈されることとなる。
The refrigerant saturated liquid stored in the gas-
本実施形態の基板冷却装置1の冷却システムにおいては、コールドプレート10内の中空部に単に冷媒の飽和液を満たしているだけであり、連絡流路14に飽和液を流しているものではない。飽和液とは、液相を維持できる限度の状態(臨界状態)にある液体のことであり、飽和液に少しでも熱を加えると温度は変わらずに蒸発沸騰を開始する。従って、中空部に飽和液が充盈されたコールドプレート10に加熱処理後のガラス基板Wを載置すると、ガラス基板Wから冷媒の飽和液への熱伝達が生じ、その熱負荷によって冷媒の飽和液は直ちに急激に沸騰する。ここでの熱伝達は、コールドプレート10の固体壁面(正確には連絡流路14の内壁面)から沸騰する冷媒への熱移動であって、沸騰熱伝達と称されるものである。
In the cooling system of the
このような液相から気相への相変化を伴う沸騰熱伝達の特徴は、相変化を伴わない対流熱伝達よりも高い熱伝達率を示すことである。このため、本実施形態の基板冷却装置1では良好な冷却効率を得ることができ、ガラス基板Wの冷却速度を高速にすることができる。
A feature of boiling heat transfer with such a phase change from the liquid phase to the gas phase is that it exhibits a higher heat transfer coefficient than convective heat transfer without phase change. For this reason, in the
また、冷媒の飽和液はコールドプレート10内の中空部に充盈されているだけであって、連絡流路14を流れているわけではないため、流体の流れに伴う圧力降下が生じない。このため、コールドプレート10の中空部に満たされている冷媒飽和液の状態は均一(図4の状態E)であり、温度も均一である。よって、コールドプレート10の表面においても、入口ヘッダ12の近傍から出口ヘッダ13の近傍に至るまで温度差が無く、冷却処理中におけるガラス基板Wの面内温度分布均一性を高い精度にて維持することができる。
In addition, since the saturated liquid of the refrigerant is only filled in the hollow portion in the
コールドプレート10に高温のガラス基板Wを載置したときに、そのガラス基板Wからの熱伝達によって中空部にて沸騰した冷媒の飽和液から発生した冷媒の蒸気は出口ヘッダ13の気体排出口13aから気液分離器50へと排出される。なお、コールドプレート10にガラス基板Wを載置していないときには、コールドプレート10の中空部に冷媒の飽和液が充盈されているだけであって、その飽和液にはほとんど熱負荷がかからず、気体排出口13aからは極少量の冷媒蒸気が気液分離器50へと排出されるに過ぎない。
When a high-temperature glass substrate W is placed on the
気体排出口13aはコールドプレート10の中空部の最も高い高さ位置に設けられているため、コールドプレート10の中空部にて発生した冷媒の蒸気は特段の動力を必要とすることなく気相と液相との比重の差によって自然に気体排出口13aから抜け出ることとなる。また、冷媒の蒸発にともなってコールドプレート10の中空部から冷媒の飽和液が減少することとなるが、その減少分は冷媒蒸気が気体排出口13aから抜け出るのに伴って、飽和液のレベル(高さ)、すなわち位置エネルギーによって自然に気液分離器50から冷媒の飽和液が供給されて補充されることとなる。つまり、冷媒の飽和液の供給と発生した蒸気の排出とがいわゆる熱サイフォンによってスムーズに行われ、かつ、気液分離器50およびコールドプレート10によって構成される循環系内の圧力を一定とし、冷媒の温度が変動しないようにできる。
Since the
一方、気液分離器50内の上方に蓄積された冷媒の飽和蒸気は圧力調整弁80を経由してアキュムレータ60に送給される。気液分離器50からアキュムレータ60へと送り出される冷媒蒸気は原理的には気相単相のはずであるが、気液分離器50内に蓄積されている冷媒の飽和蒸気には、膨張弁40から送られた冷媒の混合相から分離された蒸気の他にコールドプレート10の出口ヘッダ13から排出された冷媒蒸気も含まれている。コールドプレート10に加熱処理直後の高温のガラス基板Wが載置された瞬間には、中空部内にて冷媒が激しく沸騰し、出口ヘッダ13から排出される冷媒の蒸気中に冷媒のミスト(微小液滴)が混入する可能性もある。既述したように、液相を含む冷媒蒸気が圧縮機20に吸引されると障害の原因となるため、アキュムレータ60は送給されてきた冷媒の蒸気から液相を分離して気相のみをエバポレータ70に送り出す。
On the other hand, the saturated vapor of the refrigerant accumulated in the upper portion of the gas-
エバポレータ70は、アキュムレータ60から送給されてきた冷媒を完全に気相のみの状態として圧縮機20に送り出す。このエバポレータ70も圧縮機20に送給する冷媒の蒸気から液相を取り除くためのものである。気液分離器50から送り出された直後の冷媒は状態Fで示される飽和蒸気であるが、アキュムレータ60およびエバポレータ70を通過して完全に気相のみとされる過程で若干過熱され、状態Aで示される冷媒の過熱蒸気に戻って圧縮機20に吸引されることとなる。
The
以上のようにして、基板冷却装置1における冷媒の循環が行われ、その循環経路途中にて生成される冷媒の飽和液のみをコールドプレート10に供給し、その中空部内に冷媒飽和液を充盈している。図4の状態Aから状態Dに至るサイクル自体は、従来の冷却システムにおいても実現されている冷凍サイクルである。例えば、冷蔵庫やエアコンディショナ等に備えられている冷却システムも図4の状態Aから状態Dに至る冷凍サイクルを実行している。
As described above, the refrigerant is circulated in the
しかしながら、かかる従来の冷却システムでは、吸熱を行う冷却部に状態Dにて示される冷媒の飽和液と飽和蒸気との混合相をそのまま供給していた。混合流体をそのまま供給すると、気相が存在するために沸騰熱伝達の高い熱伝達効率を十分に得ることができず、良好な冷却効率を得られにくい。また、冷却部に混合流体を強制的に流すこととなるため、配管抵抗に起因した流体の圧力降下が発生して飽和温度が低下するが、その結果既述した強制対流熱伝達の場合とは逆に冷却部の流体入口側近傍よりも出口側近傍の方が若干温度が低くなるという現象が生じる。もっとも、冷蔵庫やエアコンディショナ等であれば、庫内や室内を循環する空気を順次冷却するだけで足りるため、多少冷却効率が悪かったり、或いは冷却部の温度分布が若干不均一であっても特段の問題は生じない。 However, in such a conventional cooling system, the mixed phase of the saturated liquid and the saturated vapor of the refrigerant shown in the state D is supplied as it is to the cooling section that absorbs heat. If the mixed fluid is supplied as it is, since a gas phase exists, heat transfer efficiency with high boiling heat transfer cannot be obtained sufficiently, and it is difficult to obtain good cooling efficiency. In addition, because the mixed fluid is forced to flow to the cooling section, a fluid pressure drop due to pipe resistance occurs and the saturation temperature decreases, but as a result of the case of forced convection heat transfer described above Conversely, a phenomenon occurs in which the temperature is slightly lower in the vicinity of the outlet side than in the vicinity of the fluid inlet side of the cooling unit. However, in the case of a refrigerator, an air conditioner, etc., it is sufficient to sequentially cool the air circulating in the cabinet or the room, so even if the cooling efficiency is somewhat poor or the temperature distribution of the cooling part is slightly uneven. There is no particular problem.
本発明に係る基板冷却装置1のように精密電子デバイス用基板を冷却する場合には高い冷却効率と温度分布均一性が要求されるが、本実施形態のようにすれば、状態Dにて示される冷媒の混合流体から気液分離器50によって液相(つまり状態Eの冷媒の飽和液)のみを分離し、その冷媒の飽和液をコールドプレート10の中空部に充盈しているため、相変化を伴う沸騰熱伝達の熱伝達効率を十分に活用することができ、良好な冷却効率を得ることが可能となる。また、コールドプレート10の中空部には冷媒飽和液の強制的な流れは存在しないため、配管抵抗に起因した冷媒飽和液の圧力降下も無く、入口ヘッダ12近傍から出口ヘッダ13近傍に至るまで冷媒飽和液の温度は一定であり、その結果コールドプレート10の温度を均一にして冷却中のガラス基板Wの面内温度分布均一性を維持することができる。
When the substrate for precision electronic devices is cooled as in the
このような温度均一性を安定して維持するためには、熱負荷によって飽和液から発生した冷媒の蒸気が連絡流路14から排出側流路13b、気体排出口13aを経て排出されるときの気相排出抵抗(圧損)をなるべく低くして冷媒の飽和温度低下を抑制しておく必要もある。流速uの冷媒蒸気が長さ(流路長)l,内径dの配管を流れるときの圧損Δpは次の数1によって示される(Darcy-Weisbachの式)。
In order to stably maintain such temperature uniformity, the vapor of the refrigerant generated from the saturated liquid due to the thermal load is discharged from the
数1において、Cは抵抗係数であり、配管の内壁面の相対粗さとレイノルズ数とによって規定される値である。数1から明らかなように、配管の長さが長くなるほど、また、内径が細くなるほど圧損は大きくなる。冷媒の蒸気の流速uは、数2によって表される。
In
Qは冷媒の蒸気の流量である。本実施形態の基板冷却装置1においては、冷媒の飽和液(液相)のみがコールドプレート10の中空部に供給されるため、冷媒の蒸気の流量は熱負荷による冷媒の蒸発量と等しくなる。数1および数2から圧損Δpは次の数3のように表される。
Q is the flow rate of the refrigerant vapor. In the
一方、ガラス基板Wを冷却する基板冷却装置1において許容される温度分布のバラツキは製造規格によって定まっており、ガラス基板Wが液晶表示装置用ガラス基板であれば設定温度から±1℃の範囲内である。よって、熱負荷によって飽和液から発生した冷媒の蒸気が連絡流路14を流れるときの圧損によって冷媒の飽和温度の変動が±1℃以下となるように圧損を抑制する必要がある。例えば、冷却処理の設定温度を23℃とすると、冷媒の飽和温度の変動が22℃〜24℃の範囲内に収まるように圧損を抑制する必要がある。本実施形態にて使用している冷媒はフロン(R134a)であり、飽和温度24℃に対する飽和圧力は0.553MPaであり、飽和温度22℃に対する飽和圧力は0.514MPaである。よって、圧損Δpを0.553MPa−0.514MPa=0.039MPa以下(好ましくはこの10分の1の0.0039MPa以下)とする必要がある。また、上記とは異なる代替フロン(R410A)を使用するのであれば、飽和温度24℃に対する飽和圧力は1.55MPaであり、飽和温度22℃に対する飽和圧力は1.46MPaである。よって、圧損Δpを1.55MPa−1.46MPa=0.09MPa以下(好ましくはこの10分の1の0.009MPa以下)とする必要がある。
On the other hand, the variation in the temperature distribution allowed in the
本発明者等は、詳細な実験を行った結果、連絡流路14の長さl1=255mm、内径d1=φ8mmのときに冷媒の飽和温度の変動が±1℃以下となることを見出した。よって、この条件のときと同等の圧損となるように連絡流路14を設計すれば、より具体的には連絡流路14の長さl2、内径d2が次の数4の関係を満たすようにすれば、飽和液から発生した冷媒の蒸気が連絡流路14を流れるときの圧損による冷媒の飽和温度の変動を±1℃以下とすることができる。なお、数4において、Q1,Q2はそれぞれ上記実験時および設計対象となる連絡流路14における冷媒蒸気の流量(つまり冷媒の蒸発量)であり、ガラス基板Wの熱容量から容易に算出することができる。また、実際には排出側流路13bにおける圧損も冷媒の飽和温度の変動に影響を与えるのであるが、排出側流路13bの内径は連絡流路14よりも相当に大きい(φ36mm)ため、その影響は連絡流路14に比較すると十分に小さいためここでの考慮から外している。
As a result of detailed experiments, the present inventors have found that when the length of the
数4の関係のみからは、上記実験時の連絡流路14と比較して長さ、内径ともに大きくすれば圧損も同等に維持できることが導かれる。ところが、コールドプレート10において、複数の連絡流路14は所定の配列ピッチにてX軸方向に沿って列設されているのであるが、この配列ピッチが大きすぎると縞状の温度分布が生じるため、配列ピッチはコールドプレート10のサイズによらず約20mmとされている。従って、連絡流路14の内径の上限は配列ピッチによって規制されることとなり、内径d2の上限はφ14mm程度である。連絡流路14の内径d2の上限が規定されると、数4の関係から連絡流路14の長さl2の上限も定まることとなる。本実施形態ではこのようにして求められた連絡流路14の長さl2の上限値を「基準長さ」としており、上記の諸条件では約600mmとなる。この「基準長さ」は数4の関係を満たすため、熱負荷によって飽和液から発生した冷媒の蒸気が連絡流路14を流れるときの圧損によって冷媒の飽和温度の変動が±1℃以下となる連絡流路14の長さである。逆に、連絡流路14の長さが基準長さである600mmを超えると、圧損による冷媒の飽和温度の低下が大きくなり、冷却処理時の面内温度分布のバラツキが許容限度を超えて大きくなるおそれがある。
From only the relationship of Equation 4, it can be derived that the pressure loss can be maintained at the same level by increasing both the length and the inner diameter as compared with the
ところで、液晶表示装置用等のガラス基板は大型化の一途をたどっており、第8世代(G8)では2400mm×2600mmにまで大型化している。このような大型のガラス基板Wを基板冷却装置1にて冷却処理するときには、図5に示すように、コールドプレートを複数に分割する。つまり、複数の単位コールドプレート10aを並設して1枚の大型コールドプレートを形成する。図6は、図5のコールドプレートの平面図である。図5,6に示すように、第8世代のガラス基板Wを処理する基板冷却装置1においては、4枚の単位コールドプレート10aをX軸方向と直交するY軸方向(第2の方向)に沿って並設して1枚の大型コールドプレートを形成している。各単位コールドプレート10aは、上述のコールドプレート10と同様に、液体供給口12a、気体排出口13a、供給側流路12b、排出側流路13bおよび複数の連絡流路14を備えている。複数の連絡流路14は、供給側流路12bと排出側流路13bとの間にX軸方向に沿って列設されている。各連絡流路14の長さは上記の基準長さ(600mm)であり、その内径はφ14mmである。なお、単位コールドプレート10aのX軸方向長さは2600mmである。
By the way, glass substrates for liquid crystal display devices and the like are steadily increasing in size, and in the eighth generation (G8), the size is increased to 2400 mm × 2600 mm. When such a large glass substrate W is cooled by the
このように、液体供給口12a、気体排出口13a、供給側流路12b、排出側流路13bおよび基準長さの複数の連絡流路14を含む単位給排系を個別に備える単位コールドプレート10aを4枚並設することによって、大型の第8世代のガラス基板Wであっても対応することが可能となる。各単位コールドプレート10aにおける連絡流路14の長さは数4の関係を満たす基準長さであるため、大型ガラス基板Wを冷却する際の面内温度分布のバラツキは抑制される。また、将来的に第8世代よりもさらに大型のガラス基板Wが処理対象となったときであっても、基準長さの連絡流路14を有する単位コールドプレート10aの並設数を増やすことによって対応可能である。なお、単位コールドプレート10aのX軸方向長さについては、連絡流路14の設置数を増減させるだけで容易に変えることができる。
In this way, the unit
また、本実施形態の基板冷却装置1においては、X軸方向に沿って延びる供給側流路12bからそれと平行に延びる排出側流路13bに向けて複数の連絡流路14が列設された構造によって冷却機構の給排系が構成されているため、コールドプレート10の内部に均一にかつ圧損を生じさせないよう静かに冷媒の飽和液を満たすことができる。このため、良好な冷却効率にてガラス基板Wを冷却でき、しかも冷却中のガラス基板Wの面内温度分布均一性を維持することができるという上記の効果を確実に得ることができる。
In the
また、本実施形態の基板冷却装置1においては、コールドプレート10の中空部の最も低い高さ位置から冷媒飽和液を供給するとともに、最も高い高さ位置から冷媒蒸気を排出するようにしているため、発生した冷媒蒸気は円滑に上方から抜けて中空部内は絶えず冷媒の飽和液が静かに満たされた状態に維持できる。このため、上記の効果を確実に得ることができる。
Further, in the
また、基板冷却装置1は、温度センサ19によって計測されたコールドプレート10の温度に基づいて圧力調整弁80およびバイパス弁85を制御する温度コントローラ93を備えている。温度コントローラ93は、コールドプレート10のプレート温度を監視しつつ、そのプレート温度が常にガラス基板Wの冷却目標温度となるように圧力調整弁80を制御して気液分離器50内の蒸気圧力を調整している。具体的には、コールドプレート10に高温のガラス基板Wが載置されて熱的負荷が与えられたときには圧力調整弁80を開放し、そのガラス基板Wの温度が低下して熱的負荷が軽減したときには圧力調整弁80を絞る。
Further, the
コールドプレート10に高温のガラス基板Wが載置されると、その中空部に充盈された冷媒の飽和液が急激に沸騰して蒸発し、出口ヘッダ13から多量の冷媒蒸気が排出されて気液分離器50に流れ込む。すると、気液分離器50内の蒸気圧力が上昇して冷媒飽和液の温度も上昇し、コールドプレート10の温度が目標温度より高くなるおそれがある。このため、温度コントローラ93は圧力調整弁80の開放度を大きくして気液分離器50内の蒸気圧力が上昇するの防ぎ、冷媒飽和液の温度上昇を防止している。
When the high-temperature glass substrate W is placed on the
逆に、コールドプレート10への熱的負荷が軽減されてきたときには、発生する冷媒蒸気量も減少するため、圧力調整弁80を大きく開放したままであると気液分離器50内の蒸気圧力が低くなりすぎて冷媒飽和液の温度も低下し、コールドプレート10の温度が目標温度より低くなるおそれがある。このため、温度コントローラ93は圧力調整弁80の開放度を小さくして気液分離器50内の蒸気圧力が過度に低下するの防ぎ、冷媒飽和液の温度下降を防止している。
On the other hand, when the thermal load on the
また、温度コントローラ93は、コールドプレート10のプレート温度が所定の設定範囲を超えて低下したときにバイパス弁85を開放して冷媒の過冷却液を直接エバポレータ70に流す。この動作は、プレート温度が異常低下したときにコールドプレート10への冷媒供給を停止してコールドプレート10上への雰囲気からの結露を防止する非常措置である。具体的には、23℃相対湿度40%の雰囲気ではプレート温度が10℃未満にならないようにする。
Further, the
また、基板冷却装置1は、レベルセンサ55によって検出された気液分離器50内の液面レベルに基づいて圧縮機20の動作を制御するレベルコントローラ96を備えている。レベルコントローラ96は、レベルセンサ55の検出結果に基づいて、気液分離器50内に貯留されている冷媒の飽和液の液面レベルが一定となるように圧縮機20の動作を制御する。すなわち、コールドプレート10への熱的負荷が大きく冷媒飽和液の消費量が大きいときには、気液分離器50内に貯留されている冷媒飽和液の液面レベルが低下する。このような場合には、レベルコントローラ96が圧縮機20の動作量を増やし、気液分離器50に送給される冷媒飽和液の量を増加させる。逆に、コールドプレート10への熱的負荷が軽減されてきたときには、気液分離器50内に貯留されている冷媒飽和液の液面レベルが上昇するため、レベルコントローラ96が圧縮機20の動作量を減らし、気液離器50に送給される冷媒飽和液の量を減少させる。このようにして、気液分離器50内に貯留されている冷媒の飽和液の液面レベルが絶えず一定となるようにされている。なお、基本的な動作量を増減する方法は、インバータによる圧縮機20の回転数制御や複数台の圧縮機20を使用する場合には運転する圧縮機20の台数を変化させるというものである。
In addition, the
また、基板冷却装置1の制御部90は圧縮機20の稼働状態に基づいて膨張弁40を制御する。制御部90は、圧縮機20の動作量に基づいて膨張弁40を大流量または小流量のいずれか二段階に切り換える。具体的には、制御部90は、圧縮機20の動作量が所定の基準値より多いときには膨張弁40を大流量とし、該基準値より少ないときには膨張弁40を小流量とする。なお、圧縮機20の動作量が上記基準値と等しい場合には膨張弁40を大流量または小流量のいずれにしても良い。このようにすれば、圧縮機20の稼働状態に応じて膨張弁40を通過して膨張する冷媒量を調整することができる。
Further, the
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、コールドプレート10の形態は図2,3に示した形態に限定されるものではなく、プレート内部に中空部を設け、その中空部の最も低い高さ位置に設けられた液体供給口から冷媒の飽和液を供給するとともに、最も高い高さ位置に設けられた気体排出口から冷媒の蒸気を排出する形態であればよい。また、コールドプレート10の内部において、冷媒の蒸気がより円滑に気体排出口13aから排出されるように連絡流路14に若干の傾斜を設けるようにしても良い。
While the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be modified in various ways other than those described above without departing from the spirit of the present invention. For example, the form of the
また、大型のガラス基板Wを処理する場合に、図5,6の構成に変えて図7のようにしても良い。図7の構成では、コールドプレートを分割するのではなく、1枚の大型コールドプレート10bに、液体供給口12a、気体排出口13a、供給側流路12b、排出側流路13bおよび基準長さの複数の連絡流路14を含む単位給排系をY軸方向に沿って複数並設している。すなわち、図5,6と同様の冷却機構を1枚の大型コールドプレート10bに備えているのである。このようにしても、大型の第8世代のガラス基板Wに対応することが可能となる。また、連絡流路14の長さは数4の関係を満たす基準長さであるため、大型ガラス基板Wを冷却する際の温度分布のバラツキは抑制される。もっとも、図5,6の構成の方がガラス基板Wがさらに大型化した場合にも単位コールドプレート10aの並設数を増やすだけで容易に対応することが可能である。
Further, when processing a large glass substrate W, the configuration shown in FIG. 7 may be used instead of the configuration shown in FIGS. In the configuration of FIG. 7, the cold plate is not divided, but a single large
また、本発明に係る基板冷却装置1の冷却システムには、複数台の圧縮機20を備えるようにしても良い。この場合、レベルコントローラ96は、レベルセンサ55の検出結果に基づいて、気液分離器50内に貯留されている冷媒の飽和液の液面レベルが一定となるように稼働する圧縮機20の台数を調整する。また、制御部90は、圧縮機20の稼働台数に基づいて膨張弁40を大流量または小流量のいずれか二段階に切り換える。
Further, the cooling system of the
また、本発明に係る基板冷却装置1によって冷却処理の対象となる基板はガラス基板Wにに限定されるものではなく、半導体ウェハであっても良い。
Further, the substrate to be cooled by the
また、本発明に係る冷却システムは基板に代えて構造物を冷却するものであっても良い。すなわち、プレート本体部11を構造物、例えば金型に装着することで構造物である金型を冷却するものであっても良い。
In addition, the cooling system according to the present invention may cool the structure instead of the substrate. In other words, the
1 基板冷却装置
10 コールドプレート
10a 単位コールドプレート
10b 大型コールドプレート
11 プレート本体部
12 入口ヘッダ
12a 液体供給口
12b 供給側流路
13 出口ヘッダ
13a 気体排出口
13b 排出側流路
14 連絡流路
19 温度センサ
20 圧縮機
30 コンデンサ
40 膨張弁
50 気液分離器
55 レベルセンサ
60 アキュムレータ
70 エバポレータ
80 圧力調整弁
85 バイパス弁
90 制御部
93 温度コントローラ
96 レベルコントローラ
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記冷却プレートの内部に中空部を設けるとともに、前記中空部に冷媒の飽和液を充盈することを特徴とする基板冷却装置。 A substrate cooling device that cools a substrate placed on a cooling plate to a predetermined temperature,
A substrate cooling apparatus, wherein a hollow portion is provided inside the cooling plate, and the hollow portion is filled with a saturated liquid of a refrigerant.
前記冷却プレートは、
前記中空部の最も低い高さ位置に設けられ、前記中空部に冷媒の飽和液を供給する液体供給口と、
前記中空部の最も高い高さ位置に設けられ、前記中空部にて沸騰した冷媒の飽和液から生じた冷媒の蒸気を排出する気体排出口と、
を備えることを特徴とする基板冷却装置。 The substrate cooling apparatus according to claim 1,
The cooling plate is
A liquid supply port that is provided at the lowest height position of the hollow portion and supplies a saturated liquid of a refrigerant to the hollow portion;
A gas discharge port for discharging a refrigerant vapor generated from a saturated liquid of a refrigerant boiled in the hollow part, provided at the highest position of the hollow part;
A substrate cooling apparatus comprising:
前記冷却プレートは、
前記中空部に冷媒の飽和液を供給する液体供給口と、
前記中空部にて沸騰した冷媒の飽和液から生じた冷媒の蒸気を排出する気体排出口と、
を備え、
前記中空部は、
前記液体供給口と連通し、第1の方向に沿って延びる供給側流路と、
前記気体排出口と連通し、前記供給側流路と平行に設けられた排出側流路と、
前記第1の方向に沿って前記供給側流路と前記排出側流路との間に列設され、前記供給側流路と前記排出側流路とを連通接続する複数の連絡流路と、
を備えることを特徴とする基板冷却装置。 The substrate cooling apparatus according to claim 1,
The cooling plate is
A liquid supply port for supplying a saturated liquid coolant to the hollow portion;
A gas outlet for discharging the vapor of the refrigerant generated from the saturated liquid of the refrigerant boiling in the hollow portion;
With
The hollow part is
A supply-side flow path communicating with the liquid supply port and extending along a first direction;
A discharge-side flow path that communicates with the gas discharge port and is provided in parallel with the supply-side flow path;
A plurality of connecting flow paths arranged in line between the supply side flow path and the discharge side flow path along the first direction, and connecting the supply side flow path and the discharge side flow path;
A substrate cooling apparatus comprising:
前記第1の方向は水平方向であり、前記排出側流路が前記供給側流路よりも高い位置に設けられていることを特徴とする基板冷却装置。 The substrate cooling apparatus according to claim 3, wherein
The substrate cooling apparatus according to claim 1, wherein the first direction is a horizontal direction, and the discharge-side flow path is provided at a position higher than the supply-side flow path.
前記連絡流路の長さは、発生した冷媒の蒸気が流れるときの圧損による冷媒の飽和温度の変動が所定範囲以下となる基準長さであることを特徴とする基板冷却装置。 In the substrate cooling device according to claim 3 or 4,
The length of the communication channel is a reference length in which a variation in the saturation temperature of the refrigerant due to a pressure loss when the generated refrigerant vapor flows is a predetermined length or less.
前記基準長さは、前記飽和温度の変動が±1℃以下となる長さであることを特徴とする基板冷却装置。 The substrate cooling apparatus according to claim 5, wherein
The substrate cooling apparatus according to claim 1, wherein the reference length is a length at which a variation in the saturation temperature is ± 1 ° C. or less.
前記冷却プレートは、
前記液体供給口、前記気体排出口、前記供給側流路、前記排出側流路および前記基準長さの複数の連絡流路を有する単位給排系を、前記第1の方向と直交する第2の方向に沿って複数並設して備えることを特徴とする基板冷却装置。 The substrate cooling apparatus according to claim 5 or 6,
The cooling plate is
A unit supply / discharge system having the liquid supply port, the gas discharge port, the supply side flow channel, the discharge side flow channel, and a plurality of communication flow channels of the reference length is secondly orthogonal to the first direction. A substrate cooling apparatus comprising a plurality of the plurality of semiconductor cooling apparatuses arranged along the direction of the substrate.
前記液体供給口、前記気体排出口、前記供給側流路、前記排出側流路および前記基準長さの複数の連絡流路を有する冷却プレートを、前記第1の方向と直交する第2の方向に沿って複数並設して備えることを特徴とする基板冷却装置。 The substrate cooling apparatus according to claim 5 or 6,
The cooling plate having the liquid supply port, the gas discharge port, the supply-side flow channel, the discharge-side flow channel, and the plurality of communication channels of the reference length is arranged in a second direction orthogonal to the first direction. A substrate cooling apparatus comprising a plurality of the substrate cooling apparatuses arranged in parallel.
冷媒の蒸気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機によって生成された冷媒の過熱蒸気を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器によって生成された冷媒の飽和液または過冷却液を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁にて生成された冷媒の飽和液と飽和蒸気との混合相を液相と気相とに分離する気液分離器と、
をさらに備え、
前記気液分離器にて分離された冷媒の飽和液のみを前記液体供給口から前記中空部に供給することを特徴とする基板冷却装置。 The substrate cooling apparatus according to any one of claims 2 to 8,
A compressor for compressing the vapor of the refrigerant;
A condenser for condensing the superheated steam of the refrigerant generated by the compressor;
An expansion valve for expanding the saturated or supercooled liquid of the refrigerant generated by the condenser;
A gas-liquid separator that separates a mixed phase of a saturated liquid and a saturated vapor of refrigerant generated by the expansion valve into a liquid phase and a gas phase;
Further comprising
The substrate cooling apparatus, wherein only the saturated liquid of the refrigerant separated by the gas-liquid separator is supplied from the liquid supply port to the hollow portion.
前記中空部にて沸騰した冷媒の飽和液から生じた冷媒の蒸気を前記気体排出口から前記気液分離器に帰還させることを特徴とする基板冷却装置。 The substrate cooling apparatus according to claim 9, wherein
A substrate cooling apparatus, wherein a vapor of a refrigerant generated from a saturated liquid of a refrigerant boiling in the hollow portion is returned to the gas-liquid separator from the gas discharge port.
前記冷却プレートの温度を計測する温度計測部と、
前記気液分離器から前記圧縮機に冷媒の蒸気を送給する配管に介挿された圧力調整弁と、
前記温度計測部によって計測された前記冷却プレートの温度に基づいて、前記冷却プレートの温度が前記所定温度となるように前記圧力調整弁を制御して前記気液分離器内の蒸気圧力を調整する温度制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする基板冷却装置。 The substrate cooling apparatus according to claim 9 or 10,
A temperature measuring unit for measuring the temperature of the cooling plate;
A pressure regulating valve interposed in a pipe for supplying refrigerant vapor from the gas-liquid separator to the compressor;
Based on the temperature of the cooling plate measured by the temperature measuring unit, the pressure regulating valve is controlled to adjust the vapor pressure in the gas-liquid separator so that the temperature of the cooling plate becomes the predetermined temperature. Temperature control means;
A substrate cooling apparatus further comprising:
前記気液分離器内に貯留されている冷媒の飽和液の液面レベルを検出する液面レベル検出部と、
前記液面レベル検出部の検出結果に基づいて、前記気液分離器内に貯留されている冷媒の飽和液の液面レベルが一定となるように前記圧縮機の動作を制御するレベル制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする基板冷却装置。 The substrate cooling apparatus according to any one of claims 9 to 11,
A liquid level detecting unit for detecting a liquid level of a saturated liquid of a refrigerant stored in the gas-liquid separator;
Level control means for controlling the operation of the compressor based on the detection result of the liquid level detector so that the liquid level of the saturated liquid of the refrigerant stored in the gas-liquid separator is constant. ,
A substrate cooling apparatus further comprising:
前記冷却プレートの内部に中空部を設けるとともに、前記中空部に冷媒の飽和液を充盈することを特徴とする構造物冷却装置。 A structure cooling device for cooling a structure to which a cooling plate is mounted to a predetermined temperature,
A cooling device for a structure, wherein a hollow portion is provided inside the cooling plate, and the hollow portion is filled with a saturated liquid of a refrigerant.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101297242B1 (en) * | 2008-09-29 | 2013-08-16 | 엘지디스플레이 주식회사 | Cooling apparatus for liquid crystal display device |
CN104534757A (en) * | 2014-12-08 | 2015-04-22 | 中国船舶工业系统工程研究院 | Control method for general type liquid-cooling equipment |
CN107120860A (en) * | 2017-05-15 | 2017-09-01 | 南京理工大学 | Step evaporation of water formula aircraft floor air conditioner group |
JP2019500586A (en) * | 2015-10-27 | 2019-01-10 | リンデ アクチエンゲゼルシャフトLinde Aktiengesellschaft | Test bypass for cooling systems with liquid containers with variable pressure values |
WO2022219796A1 (en) * | 2021-04-16 | 2022-10-20 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | Fluid verification pipe and electric device |
-
2007
- 2007-03-06 JP JP2007055644A patent/JP2007294887A/en active Pending
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JP7258222B2 (en) | 2021-04-16 | 2023-04-14 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | power equipment |
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