JP2018194183A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却能力を向上させた冷却装置を提供する。【解決手段】本発明に係る冷却装置１００は、冷媒を被冷却体に供給するポンプ１１と、冷媒を貯蔵するタンク１２と、を備えた主回路１０と、蒸発器２１、圧縮機２２、凝縮器２３、及び膨張弁２４を含み、主回路を流通する冷媒との熱交換を行う冷却回路２０と、蒸発器３１、圧縮機３２、凝縮器３３、及び膨張弁３４を含み、主回路を流通する冷媒との熱交換を行う冷却回路３０と、を少なくとも有し、蒸発器２１及び蒸発器３１は、主回路において直列に配置される【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置に関する。

半導体製造装置や半導体検査装置等では、被冷却体としての集積回路素子に冷却液としての冷媒を直接接触させながら流通させて集積回路素子等を冷却することが行われている。従来の冷却装置（チラーとも呼ばれる）は、主に蒸発器、圧縮機、凝縮器、膨張弁等から構成される（特許文献１参照）。

特公平７−４８０３２号公報

本発明者らは、上記特許文献１のような蒸発器、圧縮機等を含む冷却装置の冷却能力を向上させる技術について鋭意検討している。

そこで本発明は、冷却能力を向上させた冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の一態様に係る冷却装置は、冷媒を被冷却体に供給するポンプと、冷媒を貯蔵するタンクと、を備えた回路と、第１蒸発器、第１圧縮機、第１凝縮器、及び第１膨張弁を含み、上記回路を流通する冷媒との熱交換を行う第１冷却回路と、第２蒸発器、第２圧縮機、第２凝縮器、及び第２膨張弁を含み、上記回路を流通する冷媒との熱交換を行う第２冷却回路と、を少なくとも有する。第１蒸発器及び第２蒸発器は、上記回路において直列に配置される。

本発明に係る冷却装置は、上記のように構成しているため、冷却能力を効果的に向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る冷却装置を示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係る冷却装置を示す回路図である。 本発明の第３実施形態に係る冷却装置を示す回路図である。 本発明の第３実施形態に係る冷却装置の変形例を示す回路図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
＜第１実施形態＞
図１は本発明の第１実施形態に係る冷却装置の説明に供する図である。本実施形態に係る冷却装置１００は、後述するように半導体検査装置や半導体製造装置に対して使用される。本実施形態に係る冷却装置１００は、冷媒を被冷却体１３に供給するポンプ１１と、冷媒を貯蔵するタンク１２と、を備えた主回路１０（回路に相当）を有する。冷却装置１００は、蒸発器２１、圧縮機２２、凝縮器２３、及び膨張弁２４を含み、主回路１０を流通する冷媒との熱交換を行う冷却回路２０を有する。冷却装置１００は、蒸発器３１、圧縮機３２、凝縮器３３、及び膨張弁３４を含み、主回路１０を流通する冷媒との熱交換を行う冷却回路３０を有する。蒸発器２１及び蒸発器３１は、主回路１０において直列に配置されている。なお、図１において冷却装置１００は、冷却回路２０、３０を有するように構成しているが、冷却回路の個数は冷却回路２０、３０のように２つに限定されない。

本明細書において冷却回路２０は第１冷却回路、蒸発器２１は第１蒸発器、圧縮機２２は第１圧縮機、凝縮器２３は第１凝縮器、膨張弁２４は第１膨張弁にあたる。また、冷却回路３０は第２冷却回路、蒸発器３１は第２蒸発器、圧縮機３２は第２圧縮機、凝縮器３３は第２凝縮器、膨張弁３４は第２膨張弁にあたる。以下、詳述する。

（主回路）
主回路１０は、図１に示すように冷媒を循環させるポンプ１１と、冷媒を貯蔵するタンク１２と、被冷却体１３と、冷媒の流路を構成する配管１４〜１８と、を有する。

タンク１２は、主回路１０において流通するフッ素等の冷媒を貯蔵する。ポンプ１１は、タンク１２から供給された冷媒を主回路１０の配管１４〜１８に流通させる動力を付与する。被冷却体１３は、例えば半導体製造装置や半導体検査装置における集積回路素子が挙げられる。配管１４〜１８は主回路１０において冷媒が流通する流路を構成し、配管１４はタンク１２とポンプ１１とを接続する。配管１５はポンプ１１と冷却回路２０の蒸発器２１とを接続し、配管１６は冷却回路２０の蒸発器２１と冷却回路３０の蒸発器３１とを接続する。配管１７は冷却回路３０の蒸発器３１と被冷却体１３とを接続し、配管１８は被冷却体１３とタンク１２とを接続する。このように、図１においてタンク１２は回路１０の回路上に設置している。

（冷却回路）
冷却回路２０は、図１に示すように冷媒を蒸発させる蒸発器２１と、冷媒の圧力を上昇させる圧縮機２２と、気化した冷媒を液化させる凝縮器２３と、冷媒の圧力を減圧する膨張弁２４と、冷却回路２０において冷媒を流通させる配管２５〜２８と、を有する。

蒸発器２１は、冷却回路２０における配管内を循環する冷媒を蒸発して気化させ、それにより潜熱を生じさせる。蒸発器２１の内部には主回路１０の配管を配設しており、蒸発器２１の潜熱により配管１５から配管１６に流通する冷媒が熱交換されて冷却される。圧縮機２２は、気化した冷媒の凝縮を容易にするために配管２５から流入した冷媒の圧力を上昇させる。

凝縮器２３は、圧縮機２２から吐出された高圧の冷媒を凝縮し、液化する。膨張弁２４は、凝縮器２３によって高温・高圧になった冷媒を蒸発させやすくするために減圧を行う。配管２５〜２７は、主回路１０と同様に冷却回路２０において各構成機器を接続する。配管２５は蒸発器２１と圧縮機２２を接続し、配管２６は圧縮機２２と凝縮器２３とを接続し、配管２７は凝縮器２３と膨張弁２４とを接続し、配管２８は膨張弁２４と蒸発器２１とを接続する。

冷却回路３０は、蒸発器３１、圧縮機３２、凝縮器３３、膨張弁３４、及び配管３５〜３８を有し、各構成は冷却回路２０と同様であるため、詳細な説明を省略する。

（主回路における冷却回路の接続）
本発明者らは、冷却装置に備えられる複数の構成のうち、蒸発器、圧縮機、凝縮器、及び膨張弁を含む冷却回路の主回路における接続について鋭意検討した。そして、本発明者らは、主回路における冷却回路の接続による圧縮機の冷却能力に着目した。

複数の冷却回路を主回路に接続して使用する場合、接続の態様にはおおまかに並列接続と直列接続とが考えられる。主回路において冷却回路を並列接続する場合、並列接続した各々の冷却回路での蒸発器の蒸発温度は同じであり、この場合、各々の冷却回路における圧縮機の冷却能力はほぼ同じになる。

これに対し、本実施形態では冷却装置１００が、冷媒を被冷却体１３に供給するポンプ１１と、冷媒を貯蔵するタンク１２と、を備えた主回路１０と、蒸発器２１、圧縮機２２、凝縮器２３、及び膨張弁２４を含み、主回路１０を流通する冷媒との熱交換を行う冷却回路２０と、蒸発器３１、圧縮機３２、凝縮器３３、及び膨張弁３４を含み、主回路１０を流通する冷媒との熱交換を行う冷却回路３０と、を少なくとも有し、蒸発器２１と蒸発器３１とを直列に配置している。

冷却回路を直列に配置（接続）する場合、ポンプから近い冷却回路では目標温度まで冷却する必要はなく、ポンプから比較的離れた冷却回路にて目標温度にまで冷却できればよい。このように、冷却回路によって到達温度が異なる場合、到達温度を比較的高く設定している冷却回路では並列回路の場合よりも蒸発器の蒸発温度を高くでき、それにより圧縮機の冷却能力を向上させることができる。これにより、冷却装置全体としての冷却効率を向上させることができる。上記した並列回路では複数の蒸発器の間で蒸発温度を変化させることができない分、冷却能力を向上させるためには蒸発器の伝熱面積を増加させる必要がある。直列回路では上記のように複数の蒸発器の間で蒸発温度に差を設けた状態で使用できるため、並列回路のように蒸発器の伝熱面積を大きく増加させなくても装置全体としての冷却能力を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
図２は第２実施形態に係る冷却装置の説明に供する図である。第２実施形態に係る冷却装置１００ａは、被冷却体１３を冷却する主回路１０と、主回路１０に流通する冷媒との熱交換を行う冷却回路２０ａ及び冷却回路３０ａと、を有する。主回路１０は、第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

冷却回路２０ａは、図２に示すように冷媒を蒸発させる蒸発器２１と、冷媒の圧力を上昇させる圧縮機２２と、冷媒を液化させる凝縮器２３と、冷媒を減圧する膨張弁２４と、冷媒が流通する配管２５、２６ａ、２７ａ、２８と、を備える。冷却回路２０ａは、圧縮機２２から吐出される潤滑油を分離するオイルセパレータ２９を備える。蒸発器２１、圧縮機２２、凝縮器２３、膨張弁２４は第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

オイルセパレータ２９は、圧縮機２２から吐出される潤滑油を分離して、圧縮機２２に戻し、これにより圧縮機２２の焼きつきを防止する。配管２６ａは、圧縮機２２とオイルセパレータ２９とを接続し、配管２８はオイルセパレータ２９と凝縮器２３とを接続し、配管２７ａは凝縮器２３から分岐し、膨張弁２４と接続する。配管２５、２８は第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

冷却回路３０ａは、蒸発器３１と、圧縮機３２と、凝縮器２３と、膨張弁３４と、配管３５、３６ａ、２８、３７ａ、３８と、オイルセパレータ２９と、を有する。このように、冷却回路２０ａと冷却回路３０ａとでは、凝縮器２３、オイルセパレータ２９、及び配管２８を共用している。なお、蒸発器３１、圧縮機３２、膨張弁３４、及び配管３５、３８は第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。配管３６ａは、圧縮機３２からオイルセパレータ２９に至るまでに冷却回路２０ａと合流する。配管３７ａは凝縮器２３から分岐し、膨張弁３４と接続する。

冷却回路２０ａでは、蒸発器２１からの冷媒は気化して配管２５を流通し、圧縮機２２を経て圧縮され、配管２６ａを流通した冷媒がオイルセパレータ２９に流入し、配管２８を経て、凝縮器２３に流入し、液化する。凝縮器２３から出た冷媒は一部が回路において分岐した配管２７ａを流通し、膨張弁２４を経て、再び蒸発器２１に流通し、気化する。

冷却回路３０ａでは、蒸発器３１からの冷媒は気化して配管３５を流通し、圧縮機３２を経て圧縮され、配管３６ａを経て冷却回路２０ａのオイルセパレータ２９に流入する。オイルセパレータ２９に流入した冷媒は配管２８を経て凝縮器２３に流入して液化し、一部が冷却回路２０ａから分岐した配管３７ａを流通して膨張弁３４を経て再び蒸発器３１へと流通し、気化する。

本実施形態において冷却回路２０ａ及び冷却回路３０ａは、蒸発器２１、蒸発器３１で気化した冷媒を凝縮する凝縮器２３、オイルセパレータ２９、及び配管２８を共用するように構成している。これにより、第１実施形態のように冷却回路２０と冷却回路３０において凝縮器等を別々に用意する場合に比べて部品点数を減少させ、冷却装置全体としてのコストダウンを図ることができる。

＜第３実施形態＞
図３は第３実施形態に係る冷却装置の説明に供する図である。第３実施形態に係る冷却装置１００ｂは、被冷却体１３を冷却する主回路１０と、主回路１０に接続された冷却回路２０ｂ及び冷却回路３０ｂと、を有する。主回路１０は、第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

冷却回路２０ｂは、図３に示すように温度帯の異なる複数の冷却サイクル２０ｃ、２０ｄと、冷却サイクル２０ｃ、２０ｄの間に介在し、冷却サイクル２０ｃと冷却サイクル２０ｄの間で熱交換を行うカスケード熱交換器２１ｃと、を備える。冷却サイクル２０ｃと冷却サイクル２０ｄとでは、冷却サイクル２０ｄを流通する冷媒の方が比較的低温にて凝縮する。

冷却サイクル２０ｃは、冷却サイクル２０ｃにおいて冷媒を気化する蒸発器として機能するカスケード熱交換器２１ｃと、圧縮機２２ｃと、凝縮器２３と、膨張弁２４ｃと、配管２５ｃ、２６ｃ、２７ｃ、２８ｃと、を備える。圧縮機２２ｃ、凝縮器２３、膨張弁２４ｃ、配管２５ｃ、２６ｃ、２７ｃ、２８ｃは符号のみ第１実施形態と異なり、機能は第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

冷却サイクル２０ｄは、蒸発器２１ｄと、圧縮機２２ｄと、カスケード熱交換器２１ｃと、膨張弁２４ｄと、配管２５ｄ、２６ｄ、２７ｄ、２８ｄと、を有する。蒸発器２１ｄ、圧縮機２２ｄ、膨張弁２４ｄ、及び配管２５ｄ、２６ｄ、２７ｄ、２８ｄは符号のみ異なり、機能は第１実施形態の冷却回路２０の構成と同様であるため、詳細な説明を省略する。

カスケード熱交換器２１ｃは、冷却サイクル２０ｃと冷却サイクル２０ｄとの間で熱交換を行うように構成され、冷却サイクル２０ｄでは冷媒を液化する凝縮器として機能する。その他の構成は第１実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。

冷却回路３０ｂは、冷媒が比較的高温で凝縮する冷却サイクル３０ｃと、冷却サイクル３０ｃよりも冷媒が比較的低温にて凝縮する冷却サイクル３０ｄと、を備える。冷却サイクル３０ｃは、カスケード熱交換器３１ｃと、圧縮機３２ｃと、凝縮器３３と、膨張弁３４ｃと、配管３５ｃ、３６ｃ、３７ｃ、３８ｃと、を備える。冷却サイクル３０ｄは、蒸発器３１ｄと、圧縮機３２ｄと、カスケード熱交換器３１ｃと、膨張弁３４ｄと、配管３５ｄ、３６ｄ、３７ｄ、３８ｄと、を備える。カスケード熱交換器２１ｃ、３１ｃはカスケードコンデンサーとも呼ばれる。冷却回路３０ｂにおける各々の構成は冷却回路２０ｂと同様であるため、詳細な説明を省略する。

第３実施形態では上記のように冷却回路２０ｂが温度帯の異なる冷却サイクル２０ｃ、２０ｄと、冷却サイクル２０ｃ、２０ｄの間に介在し、冷却サイクル２０ｃと冷却サイクル２０ｄとの間で熱交換を行うカスケード熱交換器２１ｃを備える。冷却回路３０ｂにおけるカスケード熱交換器３１ｃについても同様である。このような構成によれば、冷却サイクル２０ｄ、３０ｄにおいて通常より凝縮温度が低い冷媒を使用する場合にも冷却サイクル２０ｃ、３０ｃにて冷媒をある程度冷却し、冷却サイクル２０ｄ、３０ｄにおいて上記冷媒を低温にて凝縮して使用することができる。

なお、本実施形態は上述した実施形態にのみ限定されず、特許請求の範囲において種々の変更が可能である。上記では第３実施形態において冷却回路２０ｂ、３０ｂのいずれにもカスケード熱交換器２１ｃ、３１ｃを設置する実施形態について説明した。しかし、これに限定されず、いずれかの冷却回路はカスケード熱交換器を使用せず、一の冷却回路から構成してもよい。

図４は、図３の変形例を示す回路図である。図３では図１と同様にタンク１２が回路１０の回路上に設置する実施形態について説明したが、これに限定されない。上記以外にも図４に示すように冷却装置１００ｃを構成するタンク１２ａは、回路１０ａにおいて配管１４ｂによって回路１０の閉回路を構成する配管１４ａに直接接続しないように構成してもよい。タンク１２ａは、冷媒の温度変化に伴う体積変動を吸収するための膨張タンクとして使用され得る。図４に示すようにタンク１２ａを配管１４ａに直接接続しないように構成することで、タンクの冷媒の保有量を減らすことができ、その分、冷媒の目標温度までの到達時間を短縮することができる。

１０ （主）回路、
１００、１００ａ、１００ｂ 冷却装置、
２０、２０ａ、２０ｂ （第１）冷却回路、
３０、３０ａ、３０ｂ （第２）冷却回路、
２１ｃ、３１ｃ カスケード熱交換器、
２１ （第１）蒸発器、
２２ （第１）圧縮機、
２３ （第１）凝縮器、
２４ （第１）膨張弁、
３１ （第２）蒸発器、
３２ （第２）圧縮機、
３３ （第２）凝縮器、
３４ （第２）膨張弁、
２５〜２７、３５〜３７ 配管、
２９ オイルセパレータ。

Claims (3)

1. 冷媒を被冷却体に供給するポンプと、前記冷媒を貯蔵するタンクと、を備えた回路と、
   第１蒸発器、第１圧縮機、第１凝縮器、及び第１膨張弁を含み、前記回路を流通する前記冷媒との熱交換を行う第１冷却回路と、
   第２蒸発器、第２圧縮機、第２凝縮器、及び第２膨張弁を含み、前記回路を流通する前記冷媒との熱交換を行う第２冷却回路と、を少なくとも有し、
   前記第１蒸発器及び前記第２蒸発器は、前記回路において直列に配置される、冷却装置。
2. 前記第１凝縮器及び前記第２凝縮器は、一の凝縮器を共用して構成する請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記第１冷却回路は、温度帯の異なる複数の冷却サイクルと、前記複数の冷却サイクルにおいて隣接する一の冷却サイクルと他の冷却サイクルとの間に介在し、前記一の冷却サイクルと前記他の冷却サイクルとの間で熱交換を行うカスケード熱交換器と、を備える、請求項１又は２に記載の冷却装置。