JP2008185256A - 冷凍装置 - Google Patents

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Hiromasa Shimizu
寛正 清水
Masayuki Takahashi
正幸 高橋
Akifumi Yagi
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Abstract

【課題】互いに異なる少なくとも2の温度域それぞれの冷媒を、同時に供給可能な冷凍装置10を実現する。
【解決手段】冷凍装置10は、圧縮機20、凝縮器21,22、複数段の気液分離器24,30,36,42、複数段のカスケード熱交換器25,31,37,43、膨張器80、第1の冷却器52、及び、第1の冷却器52に対し並列に配置されると共に、前記複数段の気液分離器のうちの、少なくとも1の気液分離器で分離されかつ減圧された冷媒を蒸発させる第2の冷却器53、を有し、これらの各機器が冷媒配管により互いに接続された冷媒回路1を備えている。
【選択図】図3

Description

本発明は、冷凍装置に関する。
従来より、例えば特許文献1に開示されているように、沸点温度の異なる複数種類の冷媒からなる混合冷媒を、相対的に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冷却器において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。
具体的にこの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、膨張器と、冷却コイル(冷却器)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、ガス冷媒と前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膨張器で減圧させかつ、前記冷却コイル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。
この種の超低温冷凍装置の冷却器は、ウェハー等の製造に用いる真空成膜装置の、例えば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短時間で上げるために使用されている。
特開2005−207637号公報
ところで、例えば、前述した真空成膜装置において冷却が必要となる箇所は、真空チャンバ内だけでなく、真空ポンプとしての油拡散ポンプにおけるコールドトラップ等も冷却が必要な箇所である。このため従来の真空成膜装置においては、前述した真空チャンバ内の冷却コイルのための超低温冷凍装置とは別に、油拡散ポンプにおけるコールドトラップ用の冷却装置を備えることが一般的である。
しかしながらこうすると、真空成膜装置全体の設置面積が増大すると共に、そのイニシャルコストやランニングコストが増大してしまうという不都合がある。
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、互いに異なる少なくとも2の箇所それぞれに、同時に冷媒を供給可能な冷凍装置を実現することにある。
本発明の一側面によると、冷凍装置は、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、前記圧縮機で圧縮された混合冷媒のうち、相対的に高沸点の冷媒を冷却して液化する凝縮器、前記凝縮器で液化された混合冷媒を、相対的に高沸点の冷媒から低沸点の冷媒へと順次、液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器、前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かつ減圧された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、前記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器の1次側から流出した、相対的に低沸点の冷媒を減圧する膨張器、前記膨張器で減圧された冷媒を蒸発させる第1の冷却器、及び、前記第1の冷却器に対し並列に配置されると共に、前記複数段の気液分離器のうちの、少なくとも1の気液分離器で分離されかつ減圧された液冷媒を蒸発させる第2の冷却器、を有し、これらの各機器が冷媒配管により互いに接続された冷媒回路を備えている。
この構成によると、第1の冷却器は、相対的に高沸点の冷媒から低沸点の冷媒の順に凝縮する複数段のカスケード熱交換における最終段のカスケード熱交換器から流出した冷媒を蒸発させる。これに対し、第2の冷却器は、複数段の気液分離器のうちの少なくとも1の気液分離器で分離されかつ減圧された冷媒を蒸発させる。
このため、第1及び第2の冷却器を、冷却が必要な箇所それぞれに配置することによって、1つの冷凍装置において互いに異なる2つ箇所それぞれに、同時に冷媒を供給することが実現する。
前記第2の冷却器は、前記複数段の気液分離器のうちの最終段よりも上段側における、少なくとも1の気液分離器に接続されている、としてもよい。
こうすることで、第1の冷却器は、複数段のカスケード熱交換器における最終段のカスケード熱交換器から流出した冷媒を蒸発させるため、本冷凍装置の最大冷凍能力に対応する冷熱を供給することになる。
これに対し、第2の冷却器は、最終段よりも上段側における少なくとも1の気液分離器で分離されかつ減圧された冷媒、つまり、少なくとも最も低沸点の冷媒ではない冷媒を蒸発させるため、前記第1の冷却器よりも高い温度域の冷熱を供給することになる。こうして、1つの冷凍装置において、互いに異なる2つの温度域の冷熱を、同時に供給することが実現する。
前記第2の冷却器は、前記複数段の気液分離器のうちの、複数の気液分離器それぞれに対して接続されている、としてもよい。
こうすることで、例えば1つの気液分離器からの冷媒供給だけでは第2の冷却器に要求される冷却能力を達成することができないとしても、複数の気液分離器からの冷媒それぞれを第2の冷却器に供給するように構成することで、その第2の冷却器に要求される冷却能力を達成することが可能になる。
ここで、複数段のカスケード熱交換器を有する冷凍装置は、一般的に、前記複数段の気液分離器それぞれで分離された液冷媒を減圧して、カスケード熱交換器の2次側にそれぞれ供給する複数の減圧器を有している。そのため、前記第2の冷却器は、前記減圧器の下流側に接続して、当該減圧器によって減圧された液冷媒が供給されるようにしてもよい。但しこの場合、減圧器の減圧能力は、冷凍装置の冷凍サイクルにおいて要求される減圧能力に合わせる必要があるため、第2の冷却器の冷却能力は、その減圧器の減圧能力に制限されることになる。
これに対し、前記冷媒回路は、前記複数の減圧器とは別に、前記第2の冷却器と気液分離器との間に介設されかつ、当該気液分離器で分離された液冷媒を減圧する第2の膨張器をさらに有している、としてもよい。
こうすることで、その第2の膨張器の減圧能力を調整することによって、第2の冷却器の冷凍能力を適宜設定することが可能になる。
前記第1及び第2の冷却器はそれぞれ、前記冷媒回路と、前記圧縮機からの高温冷媒を供給するデフロスト回路と、に対して選択的に接続可能にされている、としてもよい。
こうすることで、第1及び第2の冷却器それぞれについてデフロストを実行することが可能になる。
この場合、前記第1及び第2の冷却器は、前記デフロスト回路に対して互いに独立して接続可能にされている、としてもよい。
こうすることで、第1及び第2の冷却器それぞれに対するデフロストの実行タイミングが互いに異なる場合でも、第1及び第2の冷却器それぞれに対し個別にデフロストを実行することが可能になる。その結果、第1の冷却器の冷却対象と、第2の冷却器の冷却対象とが互いに独立しており、それらのデフロストの実行タイミングを異ならせる必要があるときでも適用可能になり、本冷凍装置の適用範囲が拡大する。
前記冷媒回路は、前記第1及び第2の冷却器それぞれへの冷媒の供給量を調整する流量調整弁をさらに有している、としてもよい。
こうすることで、冷凍装置の運転時に第1及び第2の冷却器それぞれへの冷媒の供給量を調整することにより、第1の冷却器の負荷及び第2の冷却器の負荷それぞれに対応することが可能になる。
以上説明したように、本発明によると、第1の冷却器は、最終段のカスケード熱交換器の1次側から流出した低沸点の冷媒を蒸発させる一方、第2の冷却器は、複数段の気液分離器のうちの少なくとも1の気液分離器で分離されかつ減圧された冷媒を蒸発させるため、1つの冷凍装置で、互いに異なる2箇所に同時に冷媒を供給することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、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ない。
(実施形態1)
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と真空チャンバ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。
前記真空成膜装置Aには超低温冷凍装置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(第1の冷却器)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、その気体等を捕捉して真空チャンバ120内の真空レベルを短時間で上げるようになっている。
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することで、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。
ここで、前記真空成膜装置Aにおける真空ポンプ121としては、本実施形態では油拡散ポンプが採用されており、その油拡散ポンプにはコールドトラップ125が取り付けられている。そして、本実施形態に係る前記超低温冷凍装置10は、後述するように、前記クライオコイル52とは別に、第2の冷却器53を備えており、前記コールドトラップ125にはその第2の冷却器53からの冷熱が供給されるように構成されている。ここで、第2の冷却器53によって供給する冷熱の温度帯は、クライオコイル52によって供給する冷熱の温度帯に比べて高く設定されている。
前記超低温冷凍装置10は、冷媒として沸点温度が互いに異なる5種類乃至7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。
図3は超低温冷凍装置10の全体構成を示し、1は前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。前記第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、主に凝縮させて液化するようになっている。尚、ここでは、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。
前記補助コンデンサ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、前記補助コンデンサ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、第1キャピラリチューブ(減圧器)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、主に凝縮させて液化するようになっている。
さらに、前記第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、第2キャピラリチューブ(減圧器)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、主に凝縮させて液化するようにしている。
さらに、前記接続構造と同様にして、前記第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(減圧器)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(減圧器)44がそれぞれ接続されており(これらの接続構造は前記第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、主に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4番目に高い温度のガス冷媒を、主に凝縮させて液化するようにしている。
そして、前記第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回路は、その途中で冷媒供給回路2aと冷媒戻し回路2bとに分岐されている。
前記冷媒戻し回路2bの途中には第5キャピラリチューブ48が介設されていると共に、その下流端は同じ過冷却器47の2次側に接続されている。この過冷却器47の2次側は冷媒回路を介して前記第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、その一部を冷媒戻し回路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。
一方、前記冷媒供給回路2aには、膨張器(キャピラリチューブ)80が直列に接続されていると共に、その膨張器80よりも下流側は、主冷却器を構成するクライオコイル52が直列に接続されている。このクライオコイル52の下流端は、前記第4熱交換器43の2次側と過冷却器47の2次側との間の冷媒回路に接続されている。これにより、過冷却器47の1次側から吐出された冷媒の残部を膨張器80で減圧させた後でクライオコイル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、冷却対象としての気体や水分を−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して真空レベルを高めるようにしている。
そして、本実施形態に係る超低温冷凍装置10の特徴の1つとして、冷媒回路1には、前記クライオコイル52に並列に第2の冷却器53が配設されており、この第2の冷却器53は、第2の冷媒供給回路2cを介して、第3気液分離器36の液冷媒吐出部に接続されている。また、第2の冷却器53の下流端は、前記クライオコイル52と同様に、前記第4熱交換器43の2次側と過冷却器47の2次側との間の冷媒回路に接続されている。
第2の冷媒供給回路2cには、第2の膨張器(キャピラリチューブ)81が介設されており、これにより、第3気液分離器36からの液冷媒を第2の膨張器81で減圧させた後に第2の冷却器53に供給して蒸発させることによって、前述したように、油拡散ポンプのコールドトラップ125に低温冷媒を供給するようにしている。
前記過冷却器47の2次側(及びクライオコイル52、第2の冷却器53)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。
尚、前記コンデンサ21,22、熱交換器25,31,37,43及び過冷却器47は、二重管構造のもの、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。
図3において、符号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及び/又は第2の冷却器53に供給するデフロスト回路である。デフロスト回路60の上流端は、第1の油分離器15及び水冷コンデンサ21の間の冷媒回路に接続されている一方、その下流端は分岐されており、分岐した下流端の一方は冷媒供給回路2aに接続され、他方は、第2の冷媒供給回路2cに接続されている。
尚、符号61はデフロスト回路60の下流側分岐よりも下流側位置においてクライオコイル52側に配置された電磁開閉弁(流量調整弁)、符号62は、冷媒供給回路2aにおいて前記デフロスト回路60の接続位置よりも上流側(膨張器80側)に配置された電磁開閉弁(流量調整弁)、符号63は、第2の冷媒供給回路2cにおいてデフロスト回路60の接続位置よりも上流側(第2の膨張器81側)に配置された電磁開閉弁(流量調整弁)、符号64は、デフロスト回路60の下流側分岐よりも下流側位置において第2の冷却器53側に配置された電磁開閉弁(流量調整弁)である。
また、デフロスト回路60における電磁開閉弁61よりも上流側位置、冷媒供給回路2aにおける膨張器80よりも上流側位置、クライオコイル52の出口側と第4熱交換器43の2次側との間の冷媒回路、第2の冷媒供給回路2cにおける第2の膨張器81よりも上流側位置には、それぞれ第1乃至第4の手動開閉弁71,72,73,74が配設されている。これら第1乃至第4の手動開閉弁71,72,73,74は、クライオコイル52及び第2の冷却器53の交換やメンテナンス時に各々閉弁することで回路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、前記デフロスト回路60の上流端と手動開閉弁71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、前記第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。
尚、符号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、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。
次に、前記構成の超低温冷凍装置10の動作について説明する。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61,64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の開弁により冷媒供給回路2aが開かれると共に、電磁開閉弁63の開弁により第2の冷媒供給回路2c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、主に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、主に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、主に凝縮されて液化する。
前記第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冷媒供給回路2aと冷媒戻し回路2bとに分離される。そして、冷媒戻し回路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、この蒸発熱により前記第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。
また、過冷却器47の1次側から吐出された後に冷媒供給回路2aに流れる気液混合状態の冷媒の残部は膨張器80によって減圧され、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内の気体や水分が捕捉されて真空チャンバ120内の真空レベルが上昇する。
一方、第3気液分離器36からの液冷媒の一部は、第2の冷媒供給回路2cに流れて、第2の膨張器81によって減圧され、その減圧後に第2の冷却器53において蒸発する。これによって、前記真空ポンプ121(油拡散ポンプ)のコールドトラップ125に冷熱が供給される。
ここで前述したように、真空チャンバ120内のクライオコイル52に要求される温度域と、コールドトラップ125に要求される温度域とは互いに相違するが、クライオコイル52は、過冷却器47の1次側から吐出された冷媒を蒸発させるため、本超低温冷凍装置10の最大冷凍能力に対応する冷熱を供給することになる一方で、第2の冷却器53は、第3気液分離器36で分離されかつ減圧された冷媒、つまり、少なくとも最も低沸点の冷媒ではない冷媒を蒸発させるため、前記クライオコイル52よりも高い温度域の冷熱を供給することになる。こうして、1つの冷凍装置10において、互いに異なる2つの温度域の冷熱を、同時に供給することが実現する。
また、真空成膜装置Aの運転中は、クライオコイル52及び第2の冷却器53の負荷に応じて、電磁開閉弁62,63の開度調整を行い、それによって、クライオコイル52及び第2の冷却器53に供給される冷媒量を調整することが好ましい。
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、クライオコイル52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の閉弁により冷媒供給回路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のデフロストが実行される。このときに電磁開閉弁64を閉じておくことによって、第2の冷却器53側に高温のホットガスが供給されることはなく、クライオコイル52のデフロストのみを単独で実行することが可能である。またこのときに、電磁開閉弁63を開いておくことによって、第2の冷却器53に低温の冷媒を供給してコールドトラップ125への冷熱の供給を継続させることも可能である。
逆に、第2の冷却器53のデフロストのみを行う場合には、電磁開閉弁61を閉じかつ、電磁開閉弁64を開く(電磁開閉弁63は閉じる)ことによって、高温のガス冷媒がデフロスト回路60を経て第2の冷却器53のみに供給され、それによって、第2の冷却器53のデフロストが実行される。
また、クライオコイル52と第2の冷却器53とのデフロストを同時に行う場合は、電磁開閉弁61及び64をそれぞれ開くことによって、高温のガス冷媒がクライオコイル52と第2の冷却器53との双方に供給され、それぞれのデフロストが実行される。このときに必要に応じて電磁開閉弁61及び64それぞれの開度調整を行って、クライオコイル52へのガス冷媒の供給量と、第2の冷却器53へのガス冷媒の供給量とを調整してもよい。
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、前記と同様にして、電磁開閉弁61及び64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の開弁により冷媒供給回路2aが開かれ、過冷却器47の1次側から出た低沸点冷媒が膨張器80により減圧されてクライオコイル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。また、電磁開閉弁63の開弁により第2の冷媒供給回路2cが開かれ、第3気液分離器の液冷媒吐出側からの冷媒が第2の膨張器81により減圧されて第2の冷却器53内で蒸発し、真空ポンプ121のコールドトラップ125に所定温度の冷熱が供給される。
このように、本超低温冷凍装置では、1つの冷凍装置において、互いに異なる2つの温度域の冷媒を、異なる2箇所に同時に供給することが実現すると共に、そのクライオコイル52及び第2の冷却器53に対するデフロストを、互いに独立して実行することが実現する。
尚、前記実施形態では、第2の冷却器53を第3気液分離器36に接続し、その第3気液分離器36からの液冷媒が供給されるように構成しているが、この第2の冷却器53を接続する気液分離器は、第3気液分離器36に限るものではない。第2の冷却器53は、要求される冷却能力に応じて、接続する気液分離器を適宜変更すればよい。例えば、第2の冷却器53に要求される冷却能力が、前記実施形態における第2の冷却器53の冷却能力よりも低い冷却能力でもよい場合には、前記第2の冷却器53を、相対的に高沸点の冷媒が分離される、例えば第2気液分離器30の液冷媒吐出側や第1気液分離器24の液冷媒吐出側に接続するようにしてもよい。また、第2の冷却器53に要求される冷却能力が、前記実施形態における第2の冷却器53の冷却能力よりも高い冷却能力である場合には、前記第2の冷却器53を、相対的に低沸点の冷媒が分離される、例えば第4気液分離器42の液冷媒吐出側に接続するようにしてもよい。
(実施形態2)
図4は、実施形態2に係る超低温冷凍装置10の全体構成を示し、図3に示す超低温冷凍装置10と同じ構成については、同じ符号を付してその説明を適宜省略する。
図4に示す超低温冷凍装置10においては、第2の冷却器53が、第3気液分離器36の液冷媒吐出側と、第2気液分離器30の液冷媒吐出側との双方に接続されている。つまり、超低温冷凍装置10の冷媒回路1は、第3の冷媒供給回路2dを備えており、この第3の冷媒供給回路2dの上流端は、第2気液分離器30の液冷媒吐出部に接続され、その下流端は、第2の冷媒供給回路2cにおけるデフロスト回路60の接続部よりも上流側に接続されている。
第3の冷媒供給回路2dには、手動開閉弁76、第3の膨張器(キャピラリチューブ)82、電磁開閉弁(流量調整弁)65が、上流側から下流側に向かってその記載順に介設されており、これにより、第2気液分離器30からの液冷媒は、第3の膨張器82で減圧された後に、第3気液分離器36からの液冷媒と合流して、第2の冷却器53に供給されるようになっている。
この構成の超低温冷凍装置10によると、第2の冷却器53には、第2及び第3気液分離器30,36それぞれからの冷媒が供給される。このため、例えば図3に示す超低温冷凍装置10のように、第3気液分離器36からの液冷媒だけでは、第2の冷却器53に要求される冷凍能力を達成することができないときでも、第2及び第3気液分離器30,36それぞれからの冷媒が供給されることで、より高い冷凍能力を達成することが可能になる。また、必要に応じて、電磁開閉弁63及び65の開度調整を行うことにより、第2の冷却器53に対して、第3気液分離器36からの液冷媒のみを供給する、第2気液分離器30からの液冷媒のみを供給する、又は、第2及び第3気液分離器30,36の双方からの液冷媒を供給する、ことを適宜切り替えることができ、第2の冷却器53によって供給される冷熱量の調整範囲を広げることが可能になる。
尚、図4においては、第2の冷却器53を、第2及び第3気液分離器30,36に接続しているが、第2の冷却器53を接続する気液分離器の組み合わせはこれに限るものではない。また、第2の冷却器53を、3つ以上の気液分離器に接続してもよい。
(実施形態3)
図5は実施形態3に係る超低温冷凍装置10の全体構成を示し、図3に示す超低温冷凍装置10と同じ構成については、同じ符号を付してその説明を適宜省略する。
図5に示す超低温冷凍装置10においては、第2の冷却器53と第3気液分離器36とが、第2の冷媒供給回路2cによって互いに接続されているが、その第2の冷媒供給回路2cの上流端は、第3キャピラリチューブ38の下流側に接続されている。これに伴い、図3に示す冷媒回路1と比較して、第2の冷媒供給回路2cにおける第2の膨張器81が省略されている。
この構成の超低温冷凍装置10によると、第3気液分離器36からの液冷媒は、第3キャピラリチューブ38において減圧され、その後に第2の冷却器53に供給されて、そこで蒸発される。つまり、この構成では、冷媒回路1における第3キャピラリチューブ38を、第3気液分離器36で分離された液冷媒を減圧して第3熱交換器37の2次側に供給する減圧器として利用すると共に、第3気液分離器36で分離された液冷媒を減圧して第2の冷却器53に供給する膨張器としても利用している。
この場合においても、1つの冷凍装置において、互いに異なる2つの温度域の冷媒を、異なる2箇所に同時に供給することが実現する。
但し、この構成では、第3キャピラリチューブ38の減圧能力は、冷媒回路1において要求される減圧能力に制限される。このため、第3キャピラリチューブ38の減圧能力を第2の冷却器53の冷凍能力を達成する上で要求される減圧能力にすることができない場合がある。そうした場合は、図3に示す超低温冷凍装置10のように、第3キャピラリチューブ38とは別に、第2の膨張器81を備えるようにすればよい。
尚、第2の冷却器53を接続する気液分離器は、第3気液分離器36に限られない点は、前述したとおりである。また、実施形態2の如く、第2の冷却器53を、複数の気液分離器に接続してもよい。
さらに、実施形態2と実施形態3とを組み合わせて、第2の冷却器53を複数の気液分離器に接続する構成において、その内の一方は、キャピラリチューブの下流側に接続する構成を採用するのに対し、他方は、気液分離器の液冷媒分離側に接続する構成を採用してもよい。
尚、本実施形態では、前記クライオコイル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、例えば図示は省略するが、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。
また、本発明が適用可能な冷凍装置は、前記構成に限るものではない。例えば、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。
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。
以上説明したように、本発明は、1つの冷凍装置によって、互いに異なる2箇所それぞれに、同時に冷媒を提供することができ、有用である。
本発明の実施形態に係る真空成膜装置の概略説明図である。 他の真空成膜装置の概略説明図である。 実施形態1に係る超低温冷凍装置の全体構成を示す冷媒系統図である。 実施形態2に係る超低温冷凍装置の全体構成を示す冷媒系統図である。 実施形態3に係る超低温冷凍装置の全体構成を示す冷媒系統図である。
符号の説明
1 冷媒回路
10 超低温冷凍装置
120 真空チャンバ
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
26 キャピラリチューブ(減圧器)
30 第2気液分離器
31 第2熱交換器
32 キャピラリチューブ(減圧器)
36 第3気液分離器
37 第3熱交換器
38 キャピラリチューブ(減圧器)
42 第4気液分離器
43 第4熱交換器
44 キャピラリチューブ(減圧器)
52 クライオコイル(第1の冷却器)
53 第2の冷却器
60 デフロスト回路
62 電磁開閉弁(流量調整弁)
63 電磁開閉弁(流量調整弁)
65 電磁開閉弁(流量調整弁)
80 膨張器
81 第2の膨張器
82 第3の膨張器
A 真空成膜装置(真空装置)

Claims (7)

  1. 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、
    前記圧縮機で圧縮された混合冷媒のうち、相対的に高沸点の冷媒を冷却して液化する凝縮器、
    前記凝縮器で液化された混合冷媒を、相対的に高沸点の冷媒から低沸点の冷媒へと順次、液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器、
    前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かつ減圧された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、
    前記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器の1次側から流出した、相対的に低沸点の冷媒を減圧する膨張器、
    前記膨張器で減圧された冷媒を蒸発させる第1の冷却器、及び、
    前記第1の冷却器に対し並列に配置されると共に、前記複数段の気液分離器のうちの、少なくとも1の気液分離器で分離されかつ減圧された液冷媒を蒸発させる第2の冷却器、を有し、
    これらの各機器が冷媒配管により互いに接続された冷媒回路を備えている冷凍装置。
  2. 請求項1に記載の冷凍装置において、
    前記第2の冷却器は、前記複数段の気液分離器のうちの最終段よりも上段側における、少なくとも1の気液分離器に接続されている冷凍装置。
  3. 請求項1又は2に記載の冷凍装置において、
    前記第2の冷却器は、前記複数段の気液分離器のうちの、複数の気液分離器それぞれに対して接続されている冷凍装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の冷凍装置において、
    前記冷媒回路は、
    前記複数段の気液分離器それぞれで分離された液冷媒を減圧して、前記カスケード熱交換器の2次側にそれぞれ供給する複数の減圧器と、
    前記第2の冷却器と気液分離器との間に介設されかつ、当該気液分離器で分離された液冷媒を減圧する第2の膨張器と、をさらに有している冷凍装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の冷凍装置において、
    前記第1及び第2の冷却器はそれぞれ、前記冷媒回路と、前記圧縮機からの高温冷媒を供給するデフロスト回路と、に対して選択的に接続可能にされている冷凍装置。
  6. 請求項5に記載の冷凍装置において、
    前記第1及び第2の冷却器は、前記デフロスト回路に対して互いに独立して接続可能にされている冷凍装置。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の冷凍装置において、
    前記冷媒回路は、前記第1及び第2の冷却器それぞれへの冷媒の供給量を調整する流量調整弁をさらに有している冷凍装置。
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