JP2016084972A - 温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】省エネ、省コストを達成しつつ、温調対象に供給する制御媒体の温度を設定温度に制御可能とした温度制御方法を提供すること。【解決手段】コンプレッサー４、凝縮器５、冷却用膨張弁６、熱交換器７を具備した一次側循環回路３と、一次側循環回路におけるコンプレッサーと凝縮器の間及び、冷却用膨張弁と熱交換器との間を連結したホットガス用バイパス回路８と、ホットガス用バイパス回路の途上に配置したホットガス用膨張弁９と、を具備した冷凍機２と、温調対象と熱交換器間で制御媒体を循環させて所定温度に制御された制御媒体を温調対象に供給する二次側循環回路１２と、を具備した温調装置を用いて、二次側循環回路に温度センサーを配置し、温度センサーによる検知結果に応じて、冷却用膨張弁とホットガス用膨張弁の開度を調節することで、温調対象に供給される制御媒体の温度を設定温度に制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、半導体等の製造における各種工程の温度をコントロールするために用いられる温度制御方法に係り、より詳しくは、省エネ、低コストを達成しながら、半導体等の製造における各種工程の温度を正確に制御可能とした温度制御方法に関する。

周知の通り、半導体やフラットパネルディスプレイ（「ＦＰＤ」）等の製造に際しては、各工程において、安定した歩留まりの成膜や安定した歩留まりのエッチング等を実現するために、温度コントロールを行う必要がある。

そしてそのために、従来から、これらの温度コントロールを行う方法として、チラーと呼ばれる温調装置が用いられている。即ち、チラーと、温度コントロールの対象となる各種工程間で冷水等の制御媒体を循環するとともに、各種工程に供給する制御媒体の温度を設定温度に制御し、これにより、半導体製造における各種工程の温度コントロールを行うこととしている。

ここで、一般的なチラーの構成について図４を参照して説明すると、図４は従来から用いられているチラーの回路構成を示す図であり、図において５１がチラーである。

そして、一般的に半導体製造における各種工程等の温度をコントロールするためのチラー５１では、温調対象となる各種工程に冷水、空気等の制御媒体を供給するとともに、供給した制御媒体を循環させるための二次側循環回路５３と、この二次側循環回路５３によって温調対象となる各種工程に供給する制御媒体の温度を、所定温度に制御するための冷凍機５２を有している。

即ち、図において点線で示した５２が冷凍機であり、この冷凍機５２は、周知のように冷凍サイクルを有しており、この冷凍サイクルは、冷媒を循環させるための一次側循環回路６１を具備し、この一次側循環回路６１の途上に、コンプレッサー５５、凝縮器５６、膨張弁５７、及び蒸発器５８を配置している。

そして、一次側循環回路６１によって、コンプレッサー５５、凝縮器５６、膨張弁５７、及び蒸発器５８間で冷媒を循環させながら、蒸発器５８において、前述の二次側循環回路５３を介して戻ってきた制御媒体と、一次側循環回路６１を循環してきた冷媒を熱交換することで、制御媒体の温度を所定温度に制御している。

即ち、冷凍機５２では、コンプレッサー５５において、蒸発器５８で気化された冷媒を圧縮して高圧にし、コンプレッサー５５により高圧にされた冷媒を凝縮器５６において、熱交換により凝縮して、この凝縮器５６で液化された冷媒を膨張弁５７において低圧にして、その後、蒸発器５８において、冷媒を気化させることで、二次側循環回路５３を介して蒸発器５８に戻ってきた制御媒体から熱を奪い、制御媒体の温度を下げることとしている。

また、従来のチラー５１では、二次側循環回路５３における供給側にヒーター６３を配置しており、蒸発器５８において冷却された制御媒体の温度を設定温度まで上げることとしている。即ち、従来の冷凍機では、細かい温度制御ができないために、制御媒体を設定温度よりも低い温度に冷却した後に、ヒーター６３によって加熱することで、制御媒体の温度を設定温度にしていた。

なお、図において６７は、制御対象を二次側循環回路５３内で循環させるための駆動手段であり、制御媒体として冷水を用いている場合にはポンプとしており、制御媒体として空気を用いている場合にはファンとしている。

また、図において５４は、凝縮器５６において冷媒の温度を下げて凝縮するために冷却水を供給するための冷却水循環回路であり、図において５９は、アキュムレータ、図において６５は、装置全体の作動を制御するための、マイコン等の制御手段である。

更に、図において６２は、膨張弁５７から出た冷媒に凝縮機５６において冷却される前の冷媒を混合するためのホットガス用バイパス回路であり、このホットガス用バイパス回路６２の経路には、ホットガス用の膨張弁６０が配置されている。即ち、従来の冷凍機５２においては、蒸発器５８において制御媒体の温度が必要以上に冷却されることを防止するために、ホットガス用バイパス回路６２とホットガス用膨張弁６０を具備しており、ホットガス用膨張弁６０を開き、膨張弁５７から出てきた冷媒に、コンプレッサー５５を出た高温の冷媒を混合し、蒸発器５８に供給される冷媒の温度を上げることで、制御媒体が必要以上に低温になることを防止している。

特開２００２−０２３８６２号公報 特開平０７−１５１４４１号公報

前述したように従来のチラー５１では、二次側循環回路５３を介して冷凍機５２に戻ってきた制御媒体を、一旦、冷凍機２において設定温度よりも低い温度に冷却し、その後にヒーター６３によって設定温度まで加熱する方式を採用しており、またそれとともに、ヒーター６３の負担を低く抑えるために、ホットガス用バイパス回路６２とホットガス用の膨張弁６０によって、膨張弁５７により圧力が下げられた冷媒にホットガスを混合することで、蒸発器５８に供給される冷媒の温度を上げて、これによって、制御媒体が必要以上に冷却されることを防止していた。

しかしながら、従来のチラー５１では、前記ヒーター６３の前後に温度センサー６４を配置して、この温度センサー６４によって、二次側循環回路５３内の制御媒体の温度を検知して、その温度が予め定めた温度よりも高いか低いかのみを基準にして、ホットガス用膨張弁の開閉を制御していた。そのために、ホットガス用膨張弁６０を開いて蒸発器５８に供給される冷媒の温度を上げることで、ヒーターの負担を多少は軽減することができるが、制御媒体の温度の細かい制御ができないため、ヒーター６３による加熱は必要であり、従って、装置全体のコストを下げることは困難であった。

また、従来のチラーにおけるホットガスの供給は、冷凍サイクル内の総合的な冷媒循環量を無視して、単独でホットガス用膨張弁を制御していたために、コンプレッサーの仕事量のバランスが保たれずに不安定になってしまい、最悪の場合は、高圧異常でコンプレッサーが停止してしまう場合も考えられた。

そこで、本発明は、省エネ、省コストを達成しつつ、制御媒体の温度を設定温度に制御可能とした温度制御方法を提供することを課題としている。

本発明の温度制御方法は、半導体製造における各種工程等の温調対象に供給される制御媒体の温度を所定温度に制御するための温度制御方法であって、
冷媒を循環させる一次側循環回路と、
該一次側循環回路の途上に配置した、気化した冷媒を圧縮して高圧にするためのコンプレッサーと、該コンプレッサーにより高圧にされた冷媒を熱交換により凝縮するための凝縮器と、該凝縮器で液化された冷媒を低圧にするための冷却用膨張弁と、該冷却用膨張弁で低圧にされた冷媒を気化することで前記制御媒体の温度を設定温度に制御する熱交換器と、
前記一次側循環回路における、コンプレッサーと凝縮器の間及び、冷却用膨張弁と熱交換器との間を連結したホットガス用バイパス回路と、
該ホットガス用バイパス回路の途上に配置した、前記冷却用膨張弁で低圧にされた冷媒に前記コンプレッサーで高圧にされた高温の冷媒を混合するためのホットガス用膨張弁と、
を具備した冷凍機と、
温調対象と熱交換器間で制御媒体を循環させ、前記熱交換器において所定温度に制御された制御媒体を温調対象に供給する二次側循環回路と、
を具備した温調装置を用いて、
前記二次側循環回路の経路に温度センサーを配置して、
該温度センサーによる検知結果に応じて、前記冷却用膨張弁とホットガス用膨張弁の開度を調節することで、前記温調対象に供給される制御媒体の温度を設定温度に制御することを特徴としている。

本発明の温度制御方法は、コンプレッサー、凝縮器、冷却用膨張弁及び熱交換器を有するとともに、冷却用膨張弁で低圧にされた冷媒にコンプレッサーで高圧にされた高温の冷媒を混合するホットガス用膨張弁を具備した冷凍機を用いて、温調対象に供給する制御媒体の温度を設定温度に制御する方法において、温調対象に供給される制御媒体の温度を検知する温度センサーを配置して、この温度センサーによる検知結果に応じて、冷却用膨張弁とホットガス用膨張弁の開度を調節し、これにより温調対象に供給される制御媒体の温度を設定温度に制御することとしている。

そのために、制御媒体の温度が予め定めた温度よりも高いか低いかのみを基準にして、ホットガス用膨張弁の開閉のみを制御していた従来のチラーと異なり、細かい温度制御を行うことができ、そのために、制御媒体を設定温度以下に冷却した後にヒーターで加熱して設定温度にする必要が無くなり、ヒーターが不要となり、省エネ、低コストを達成することが可能である。

本発明の温度制御方法の実施例に用いるチラーの構成を説明するためのブロック図である。 本発明の温度制御方法の実施例に用いるチラーの制御系を示すブロック図である。 本発明の温度制御方法の実施例を説明するためのフローチャートである。 従来のチラーの構成を説明するためのブロック図である。

本発明の温度制御方法では、半導体等の製造における各種工程等の温調対象に制御媒体を供給するとともに、この供給した制御媒体を循環させて設定温度にした後に再び温調対象に供給するための二次側循環回路と、二次側循環回路を循環する制御媒体の温度を設定温度に制御するための冷凍機を用いて、冷凍機によって、温調対象に供給する制御媒体の温度を設定温度に制御することとしている。

そして、冷凍機は、一般的な冷凍機と同様に、冷媒を循環させる一次側循環回路を有しており、この一次側循環回路の途上に、気化した冷媒を圧縮して高圧にするためのコンプレッサーと、このコンプレッサーにより高圧にされた冷媒を熱交換により凝縮するための凝縮器と、凝縮器で液化された冷媒を低圧にするための冷却用膨張弁と、冷却用膨張弁で低圧にされた冷媒を気化する熱交換器を有しており、二次側循環回路を介して温調対象から循環してきた制御媒体は、熱交換器において、気化した冷媒との熱交換によって冷却されることとしている。

また、冷凍機は、ホットガス用バイパス回路とホットガス用膨張弁を有しており、ホットガス用バイパス回路は、一次側循環回路における、コンプレッサーと凝縮器の間、及び、冷却用膨張弁と熱交換器との間を連結し、その途上にホットガス用膨張弁が配置され、ホットガス用膨張弁を開くことで、冷却用膨張弁で低圧にされた冷媒に、コンプレッサーで高圧にされた高温の冷媒を、低圧にして混合することを可能にしている。

そして、本発明の温度制御方法は、二次側循環回路に温度センサーを配置することで、二次側循環回路を循環する制御媒体の温度を監視し、温度センサーによる検知温度に基づいて、冷却用膨張弁とホットガス用膨張弁の双方の開度を調節し、それにより、熱交換器に供給される冷媒の温度を調節して、冷媒との間で熱交換される制御媒体の温度を設定温度にすることとしている。

ここで、冷却用膨張弁の開度とホットガス用膨張弁の開度を互いに反比例させて制御することで、熱交換器に供給される冷媒の量を一定に調整するとよく、それによって、一次側循環回路内の冷媒の循環量が一定になり、コンプレッサーの仕事量を一定に維持して作動を安定させることができる。

本発明の温度制御方法の実施例について説明すると、本実施例の温度制御方法は、半導体やフラットパネルディスプレイ（「ＦＰＤ」）等の製造における各種工程等を温調対象とし、この温調対象に供給されることで、温調対象の温度コントロールを行う制御媒体の温度を、設定温度に制御するための方法であり、制御媒体の温度制御は、従来方法と同様に、チラーを用いることとしている。

ここで、本実施例の温度制御方法に用いるチラーについて説明すると、図１が、本実施例の温度制御方法を実施するためのチラーの構成を示すブロック図である。そして、図において１がチラーであり、本実施例の温度制御方法に用いるチラー１は、一般的に用いられるチラーと同様に、冷凍機を具備している。

即ち、図において点線で示した２が冷凍機であり、本実施例の温度制御方法に用いられる冷凍機２は、一般的に用いられている冷凍機と同様に、冷媒を循環させる一次側循環回路３を有している。そして、この一次側循環回路３の途上に、気化した冷媒を圧縮して高圧にするためのコンプレッサー４と、このコンプレッサー４により高圧にされた冷媒を熱交換により凝縮して高圧の液体にするための凝縮器５と、この凝縮器５で液化された冷媒を低圧にするための冷却用膨張弁６と、冷却用膨張弁６で低圧にされた冷媒を気化することで制御媒体と熱交換を行う、蒸発器としての熱交換器７を具備している。

なお、図において１０は、アキュムレータであり、このアキュムレータ１０は、熱交換器７で気化しきれなかった冷媒が液体のままコンプレッサー４に吸入されることを防止するために用いられている。

また、本実施例において用いられる冷凍機２では、前述した従来の冷凍機と同様に、熱交換器７に供給される冷媒の温度が必要以上に低くなることを防止するために、ホットガス用バイパス回路とホットガス用膨張弁を有している。即ち、図において８がホットガス用バイパス回路であり、このホットガス用バイパス回路８は、一端が、前記コンプレッサー４と凝縮器５の間の一次側循環回路３に連結されており、他端は、冷却用膨張弁６と熱交換器７の間で一次側循環回路３に連結されている。

そして、このホットガス用バイパス回路８の途上には、ホットガス用膨張弁９が介在されており、ホットガス用膨張弁９を開くことで、コンプレッサー４で高圧にされた高温の冷媒を、ホットガス用膨張弁９で低圧にした後に、冷却用膨張弁６で低圧にされた冷媒に混合することとしている。

なお、本実施例においては、前記冷却用膨張弁６及びホットガス用膨張弁はいずれも、電子膨張弁を用いており、図示しないパルスコンバータからのパルス信号に応じてステッピングモーターを駆動して作動することとしているが、電子膨張弁は周知であるので、詳細な説明は省略する。

次に、図において１１は冷却水循環回路であり、この冷却水循環回路１１は、コンプレッサー４で高圧高温にされた気体状の冷媒を、凝縮器５において熱交換によって凝縮するために用いられている。

そして、前記冷却水循環回路１１は、図示しないクーリングタワー等の冷却水製造装置に連結されており、クーリングタワー等で冷却された冷却水を前記凝縮器５へ供給するとともに、凝縮器５において冷媒との間で熱交換を行い、それにより温度が上昇した後の冷却水を、クーリングタワー等に循環する循環路としている。

次に、図において１２は二次側循環回路である。そして本実施例においてこの二次側循環回路１２は、温調対象となる、半導体等の製造における各種工程と前記熱交換器７との間で制御媒体を循環させながら、設定温度に制御された制御媒体を温調対象に供給し、温調対象から循環してきた制御媒体の温度を設定温度に制御するために用いられている。

そして、本実施例においては、冷水を制御媒体として用いており、熱交換器７で温度が下げられた冷水を温調対象に供給するための冷水供給路１２０１と、温調対象において温度が上昇された冷水を熱交換器７に戻すための冷水循環路１２０２を有しており、前記冷水循環路１２０２側には、温調対象に供給される冷水の温度を検知するための温度センサー１３を配置し、温調対象に供給される冷水の温度を常に監視することとしている。なお、図において１５は、二次側循環回路で冷水を循環させるためのポンプである。

次に、このように構成されるチラー１を用いて冷水の温度を設定温度にするための本実施例の温度制御方法について説明すると、本実施例の温度制御方法では、チラー１の全体の作動を制御するためのマイコン等の制御手段１４を有しており、この制御手段１４は、図２に示すように、少なくとも、前記温度センサー１３、コンプレッサー４、冷却用膨張弁６、ホットガス用膨張弁９、ポンプ１５、電源等に接続され、コンプレッサー４、冷却用膨張弁６、ホットガス用膨張弁９、ポンプ１５等の作動を制御することとしている。

そして、制御手段１４は、前記温度センサー１３からの検知信号に従って、前記冷却用膨張弁６とホットガス用膨張弁９の開度をコントロールし、これにより、冷水の温度を設定温度にするために必要な冷媒を熱交換器７に供給することとしている。

即ち、本実施例の温度制御方法では、予め、温調対象から循環してくる冷水の温度に対応した、温調対象に供給する冷水の温度を設定温度にするために必要な冷媒の温度を、設定しておく。

そして、それとともに、熱交換器７に供給する冷媒の温度を設定した温度にするために必要な、冷却用膨張弁６及びホットガス用膨張弁９の開度を設定しておく。

そして、その設定に基づいて、制御手段１４が、温調対象から循環してくる冷水の温度に応じて、冷却用膨張弁６とホットガス用膨張弁９の開度をコントロールして、冷水を設定温度にするために必要な温度の冷媒を、熱交換器７に供給することとしており、それにより、熱交換器７において、温調対象から循環してきた冷水の温度を設定温度にすることを可能にしている。

即ち、図３において、Ｓ１でコンプレッサー４を駆動して、冷凍機を作動させて、一次側循環回路３内で冷媒を循環させる。

そしてそれとともに、Ｓ２において、ポンプ１５を駆動することで、二次側循環回路１２内で冷水を循環させる。

そして、冷媒及び冷水を循環させている過程で、Ｓ３において、温度センサー１３によって冷水の温度を検知し、Ｓ４、Ｓ５において、温度センサー１３の検知結果に応じて、冷却用膨張弁６の開度とホットガス用膨張弁９の開度を調節し、それにより、設定された温度の冷媒を熱交換器７に供給し、温調対象に供給する冷水の温度を設定温度に制御する。

そしてこのとき、本実施例の温度制御方法では、前記冷却用膨張弁６の開度と前記ホットガス用膨張弁９の開度を互いに反比例させて制御し、冷却用膨張弁６から出てくる冷媒とホットガス用膨張弁９から出てくる冷媒の合計量を一定にすることで熱交換器７に供給される冷媒の量を一定にしている。そのために、本実施例の温度制御方法によれば、一次側循環回路３の内部を循環する冷媒の循環量を一定に維持することができ、コンプレッサー４の仕事量を一定に維持してその作動を安定させることが可能である。

次に、本実施例の温度制御方法の作用について説明すると、本実施例の温度制御方法では、前述したように、予め、温調対象から循環してくる冷水の温度に対応した、熱交換器７において冷水の温度を設定温度にするために必要な、冷媒の温度を設定しておく。そしてそれとともに、この冷媒の温度を得るために必要な、冷却用膨張弁６とホットガス用膨張弁９の開度を設定しておく。

またそのとき、前記冷却用膨張弁６の開度と前記ホットガス用膨張弁９の開度が互いに反比例して動作し、冷却用膨張弁６から出てくる冷媒とホットガス用膨張弁９から出てくる冷媒の合計量が一定になるように設定しておく。

そして、二次側循環回路１２によって、冷凍機２の熱交換器７と温調対象間で冷水を循環させるとともに、冷凍機２を用いて、熱交換器７において冷水の温度を設定温度に制御するとともに、そのときに、温調対象から循環してくる冷水の温度に応じて、温調対象に供給される冷水の温度が予め設定した設定温度になるように、即ち、熱交換器７に供給される冷媒の温度が設定温度になるように、冷却用膨張弁６とホットガス用膨張弁９の開度をコントロールする。

そうすると、熱交換器７において、冷水を設定温度にするため必要な温度に制御した冷媒を熱交換器７に供給することができ、それにより、冷水を設定温度にすることができ、この設定温度にした冷水を温調対象に供給することが可能となる。

このように、本実施例の温度制御方法では、温調対象から循環してくる冷水の温度に応じて、冷却用膨張弁とホットガス用膨張弁の開度を調節し、これによって、温調対象に供給される冷水の温度を設定温度に制御することとしているために、制御媒体の温度が予め定めた温度よりも高いか低いかのみを基準にして、ホットガス用膨張弁の開閉のみを制御していた従来のチラーと異なり、冷媒の温度を細かく制御し、従って、熱交換器において冷水の温度を設定温度にすることができる。従って、本実施例の温度制御方法によれば、冷凍機で設定温度以下に冷却した冷水を設定温度まで加熱するためのヒーターが不要となり、省エネ、低コストを達成することが可能である。

なお、前述の説明では、二次側循環回路１２では冷水を循環する場合を説明したが、必ずしも冷水を循環させる必要は無く、その他の液体、気体等、いずれを循環させても良い。

本発明の温度制御方法では、チラーを用いて半導体等の製造における各種工程の温度をコントロールする方法において、省エネ、低コストを達成しつつ、温調対象となる各種工程に供給される冷水等の制御媒体の温度を制御可能としているために、チラーを用いて所定温度の制御媒体を温調対象に供給する方法の全般に適用可能である。

１ チラー
２ 冷凍機
３ 一次側循環回路
４ コンプレッサー
５ 凝縮器
６ 冷却用膨張弁
７ 熱交換器（蒸発器）
８ ホットガス用バイパス回路
９ ホットガス用膨張弁
１０ アキュムレータ
１１ 冷却水循環回路
１２ 二次側循環回路
１２０１ 冷水供給路
１２０２ 冷水循環路
１３ 温度センサー
１４ 制御手段
１５ ポンプ

Claims (2)

1. 半導体製造における各種工程等の温調対象に供給される制御媒体の温度を所定温度に制御するための温度制御方法であって、
   冷媒を循環させる一次側循環回路（３）と、
   該一次側循環回路（３）の途上に配置した、気化した冷媒を圧縮して高圧にするためのコンプレッサー（４）と、該コンプレッサー（４）により高圧にされた冷媒を熱交換により凝縮するための凝縮器（５）と、該凝縮器（５）で液化された冷媒を低圧にするための冷却用膨張弁（６）と、該冷却用膨張弁（６）で低圧にされた冷媒を気化することで前記制御媒体の温度を設定温度に制御する熱交換器（７）と、
   前記一次側循環回路（３）における、コンプレッサー（４）と凝縮器（５）の間及び、冷却用膨張弁（６）と熱交換器（７）との間を連結したホットガス用バイパス回路（８）と、
   該ホットガス用バイパス回路（８）の途上に配置した、前記冷却用膨張弁（６）で低圧にされた冷媒に前記コンプレッサー（４）で高圧にされた高温の冷媒を混合するためのホットガス用膨張弁（９）と、
   を具備した冷凍機（２）と、
   温調対象と前記熱交換器（７）間で制御媒体を循環させ、熱交換器（７）において所定温度に制御された制御媒体を温調対象に供給する二次側循環回路（１２）と、
   を具備した温調装置を用いて、
   前記二次側循環回路（１２）の経路に温度センサー（１３）を配置して、
   該温度センサー（１３）による検知結果に応じて、前記冷却用膨張弁（６）とホットガス用膨張弁（９）の開度を調節することで、前記温調対象に供給される制御媒体の温度を設定温度に制御することを特徴とした温度制御方法。
2. 前記冷却用膨張弁（６）の開度と前記ホットガス用膨張弁（９）の開度を互いに反比例させて制御することで、前記熱交換器（７）に供給される冷媒の量を一定に調整し、それにより、一次側循環回路（３）内の冷媒の循環量を一定にした、ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御方法。

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