JP2815291B2 - 低温流体用配管設備 - Google Patents

低温流体用配管設備

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、液体窒素や冷却したヘ
リウムガス等の低温流体を輸送するための配管設備に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体製造工場では、ウェハ等の
冷却のためにフロンが広く用いられていた。しかしなが
ら、フロンによる環境破壊の危険性等から、近年、フロ
ンに代わる寒冷源として液体窒素が用いられる傾向にあ
る。
【０００３】液体窒素を寒冷源として用いる場合、圧縮
機や凝縮器等から構成される冷凍システムは不要であ
り、通常、液体窒素を貯槽から主管によって工場建屋内
に導入した後、主管から延びる分岐管によりクリーンル
ーム内の各種半導体製造装置、或いはその他の機器類
（例えば、高真空装置のコールドトラップや一般発熱源
の冷却装置等）に供給することとしている。
【０００４】このような液体窒素用配管設備における主
管及び分岐管には、保冷のために真空断熱配管が用いら
れている。また、従来においては、液体窒素の保冷或い
は気化防止という観点から、断熱層を厚くし、或いは、
高真空中に多層の断熱層を設けていたため、断熱層及び
外管の直径が大きくなり、よって、主管のみならず分岐
管にも外径が６０ｍｍ以上の真空断熱配管が用いられて
いた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、外径が
大きな真空断熱配管を用いた設備では、配管による空間
占有率が大きくなって空間の有効利用が図れないという
問題点があった。特に、クリーンルームに外径の大きな
分岐管を設置することは、クリーンルームの単位体積当
たりのコストが非常に高額であるので望ましくない。
【０００６】また、分岐管の外径が大きいと、半導体製
造装置等で実際に使用する分量以上の液体窒素が供給さ
れることになる。従って、半導体製造装置等に供給され
た液体窒素の大部分は、利用可能状態の寒冷を保持した
まま排出されるが、従来においては、この排出された寒
冷は単に排出処理システムにおいて常温にされ大気中に
放出されるので、液体窒素の熱的利用が十分に図られて
いなかった。
【０００７】そこで、本発明の目的は、以上の問題点を
解決し得る液体窒素等の低温流体用の配管設備を提供す
ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明による低温流体用
配管設備は、半導体製造装置等の所定の機器に液体窒素
等の低温流体を供給する分岐管として、主管よりも外径
の小さな断熱配管を用いることを特徴としている。
【０００９】より詳細には、本発明は、液化された低温
流体を複数の機器に供給するための低温流体用配管設備
において、低温流体を貯蔵する貯槽と、この貯槽から低
温流体を取り出し輸送する第１の配管と、前記機器より
も高い位置に設置され、第１の配管からの前記低温流体
を受け入れる気液分離器と、気液分離器の内部圧力を所
定圧力に調整する圧力調整手段と、気液分離器の底部か
ら低温流体を取り出す第２の配管と、第２の配管から分
岐し、それぞれ、前記第２の配管からの低温流体を前記
機器に供給する複数の第３の配管、すなわち分岐管とを
備え、これらの分岐管を第２の配管の外径よりも小さな
外径を有する断熱配管としたことを特徴としている。
【００１０】特に、分岐管の外径は２０ｍｍ〜３５ｍｍ
であるのが有効である。
【００１１】また、本発明の配管設備で用いられる低温
流体は、大気圧中で−１００℃以下の流体、例えば液体
窒素や冷却したヘリウムガス等である。
【００１２】更に、本発明による配管設備は、半導体製
造装置等の機器から排出された使用済み流体を寒冷源と
して用いる手段を設けたことを特徴としている。
【００１３】
【作用】上述したように、配管設備の分岐管を小径化す
ることで、その空間占有率を低減することができる。
【００１４】また、分岐管を過度に小径化した場合に
は、接続機器に対して低温流体が不足することも考えら
れるが、分岐管の内径を、上述の如く必要最小限の分量
の低温流体を機器に供給できる程度の大きさとした場合
には、分岐管の外径を最適な態様で小さくすることがで
きる。
【００１５】更に、半導体製造装置等から排出された使
用済み流体を寒冷源として用いる手段、例えば熱交換器
を設けることで、使用済み流体の低温性が有効に利用さ
れる。
【００１６】
【実施例】以下、図面と共に本発明の好適な実施例につ
いて詳細に説明する。
【００１７】図１は、本発明による配管設備を有する半
導体製造工場の液体窒素供給システムの一部を示してい
る。図１において、符号１は半導体製造工場の建屋であ
り、その内部の部屋として、半導体製造装置２が設置さ
れたクリーンルーム３と、高真空装置のコールドトラッ
プ等の半導体製造用付属機器４が設置されたユーティリ
ティルーム５とが図示されている。半導体製造装置２
は、その内部にウェハの温度を低温に保つための冷却装
置６が設けられている。
【００１８】この工場建屋１の外部には真空断熱構造の
液体窒素貯蔵用の貯槽７が設置されている。また、工場
建屋１の屋上には気液分離器８が設置されており、この
気液分離器８と貯槽７とは、建屋１の外壁面に沿って配
設された真空断熱構造の立上り管９により接続されてい
る。貯槽７内の液体窒素の一部は気化され、貯槽７内の
上部に加圧窒素ガスとして存在しているため、この窒素
ガスの圧力により貯槽７内の液体窒素は立上り管９を通
って気液分離器８まで圧送される。
【００１９】尚、貯槽７内の液体窒素が気液分離器８に
送られるにつれて、窒素ガスの圧力は低下するので、圧
力を一定に保つために、貯槽７には加圧装置１０が設け
られている。図示の加圧装置１０は周知のものであり、
その構造のみを簡単に述べるならば、貯槽７の底部と上
部とを連通する配管１１と、この配管１１中に介設され
た加圧蒸発器１２と、貯槽７の上部の内部圧力を検知し
て開閉作動する電磁弁１３とから構成されている。
【００２０】また、立上り管９には供給流量制御用の電
磁弁１５が介設されている。この電磁弁１５は、気液分
離器８に設けられた液量センサ１６からの信号によって
開閉制御され、液体窒素の供給流量を調節して気液分離
器８内の液量を一定範囲内に保つようになっている。
【００２１】気液分離器８の底部からは、液体窒素を工
場建屋１の内部に送り込むための主管１７が延び、工場
建屋１内の適所に固定されている。この主管１７は、工
場建屋１全体に液体窒素を輸送するため、例えば内径が
３０〜４０ｍｍ、外径が６０〜８０ｍｍの太い真空断熱
配管が用いられている。
【００２２】この主管１７を経て工場建屋１内に導入さ
れた液体窒素は、分岐管１８，１９により半導体製造装
置２内の冷却装置６や半導体製造用付属機器４等の所定
の機器に供給される。図示実施例においては、分岐管１
８，１９は主管１７と同様に真空断熱配管であるが、外
径が２０〜３５ｍｍ程度の細い管が用いられている。具
体的には、分岐管１８，１９として、外径３４ｍｍ、肉
厚約１ｍｍの外管と、外径９．５３ｍｍ、肉厚約１ｍｍ
の内管とから成る真空断熱配管を有効に用いることがで
きる。
【００２３】気液分離器８から主管１７、そして分岐管
１８，１９を経て液体窒素を所定の機器に供給するため
の動力源は、貯槽７から気液分離器８に供給する場合と
同様に、気液分離器８内で気化された窒素ガスの圧力を
用いている。この窒素ガスの圧力は圧力制御弁２０によ
って一定に保たれており、かかる圧力下においては、外
径が約３０ｍｍ、内径が約１０ｍｍ程度の細い分岐管１
８，１９を用いても、半導体製造装置２内の冷却装置６
や半導体製造用付属機器４を適正に作動させるのに十分
な分量の液体窒素を供給することができる。この寸法に
ついては、接続機器の性能により更に小さくすることも
可能である。即ち、接続機器が適正に機能する分量の液
体窒素を確保できるならば、分岐管１８，１９はそのよ
うな流量となる内径とすれば良いのである。
【００２４】このように分岐管１８，１９を細くするこ
とで、その空間占有率を低減することができ、工場建屋
１内の空間を有効に利用することが可能となる。また、
分岐管１８，１９が細いことで、配管レイアウトの自由
度も増すことになる。
【００２５】尚、液体窒素の供給・停止を制御できるよ
うに、各分岐管１８，１９にはエア作動弁又は電磁弁３
０が設けられるのが一般的である。また、分岐管１８に
は、電磁弁３０の手前の位置と半導体製造装置２の下流
側の位置との間にバイパス管１８′が接続されている
が、これは電磁弁３０の存在により気化した窒素ガスを
半導体製造装置２の冷却装置６を迂回させ、液体窒素の
みを冷却装置６に供給するためのガス抜き管として機能
するものである。
【００２６】半導体製造装置２内の冷却装置６や半導体
製造用付属機器４等に供給された液体窒素は、ウェハの
冷却や熱交換等の所定の用途に使用される結果、温度上
昇して気化される。しかしながら、半導体製造装置２等
から排出された使用済み窒素は、全て気化されたとして
も未だ相当に低温であるのが通常であるので、この使用
済み窒素を小径の排出管２１，２２を介して室内用クー
ラーの熱交換器２３，２４等に供給し、寒冷源として再
利用するのが好ましい。このようにして熱交換器２３，
２４に供給された窒素は冷熱を回収され、大気中に放散
される。
【００２７】ところで、液体窒素のような低温流体用の
配管に設けられる電磁弁は、液体窒素の温度上昇を防止
するために特殊構造となっているが、従来一般のものは
大型であり、本発明のように分岐管１８，１９を小径化
した場合には、分岐管１８，１９にバイオネットジョイ
ント等で別個独立のエア作動弁又は電磁弁を結合する必
要があった。これでは継手部で保冷性が損なわれ、好ま
しくない。また、従来から配管に内蔵する型式の電磁弁
もあるが、動作不良を起こしやすいという問題点があっ
た。
【００２８】そこで、この実施例では、図２に示すよう
な構造の電磁弁３０を用いることとした。図２の電磁弁
３０は、分岐管１８，１９の外管３１の周囲に取り付け
られたソレノイドコイル３２と、分岐管１８，１９の内
管３３の内部に流路方向に往復動可能に配置された可動
鉄心３４と、可動鉄心３４の一端に取り付けられた弁体
３５と、この弁体３５が接することにより内管３３内の
流路を遮断するオリフィス板３６とを有している。可動
鉄心３４はばね３７によりオリフィス板３６に向かって
付勢されており、ソレノイドコイル３２に通電していな
い通常時は、弁体３５がオリフィス板３６の弁座面３８
に押し付けられ、流路は遮断される（図２の（ａ）の状
態）。一方、ソレノイドコイル３２に通電して励磁した
場合には、可動鉄心３４はばね力に抗して液体窒素の流
れ方向とは逆向きに移動され、弁体３５がオリフィス板
３６から分離して液体窒素は流通可能となる（図２の
（ｂ））。
【００２９】更に，この実施例の電磁弁３０は、ソレノ
イドコイル３２と可動鉄心３４との間の磁気抵抗を小さ
くする目的で、分岐管１８，１９の内管３３の内部であ
って、ソレノイドコイル３２の内側の適所に管状の固定
鉄心３９を設けてある。この固定鉄心３９の存在によ
り、ソレノイドコイル３２と可動鉄心３４との間の磁気
回路の磁気抵抗が小さくなり、液体窒素の流通下にあっ
ても確実に弁３０を開閉させることができる。
【００３０】固定鉄心３９のない電磁弁、即ちソレノイ
ドコイル３２、可動鉄心３４、弁体３５及びオリフィス
板３６のみから成る電磁弁は従来から知られている一般
的な構成であるが、そのような従来構成では、分岐管１
８，１９が内管３３と外管３１の二重構造となっている
ため、ソレノイドコイル３２と可動鉄心３４との間の磁
気抵抗が大きいという問題がある。しかも、可動鉄心３
４及び弁体３５には液体窒素の流体圧が作用しているの
で、固定鉄心３９がないと動作不良を起こすことがあ
る。
【００３１】図２に示す電磁弁３０はかかる動作不良の
心配はなく、分岐管１８，１９に内蔵される型式である
ので、電磁弁３０の部分での保冷ロスも少ない。よっ
て、保冷性を損なわない範囲で可能な限り分岐管１８，
１９を小径化するという本発明の配管設備において、こ
の電磁弁３０は極めて有効な構造であることが分かる。
【００３２】上記実施例では、主管１７及び分岐管１
８，１９に真空断熱配管を用いるとしたが、ウレタンフ
ォーム等の断熱材を内管と外管との間に介在させた型式
の断熱配管を使用しても良い。
【００３３】また、上記実施例は液体窒素用の配管設備
に関するものであるが、半導体の製造に対しては例えば
−１００℃以下の流体であれば利用可能であると考えら
れるので、例えば液化アルゴンや冷却したヘリウムガス
用の配管設備であっても本発明を適用することは可能で
ある。
【００３４】更に、本発明による配管設備は半導体製造
工場に限られず、低温流体を必要とする他のプラントに
も適用可能である。
【００３５】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、主
管から延びる分岐管を小径化することで、その空間占有
率を低減することができ、設置部位における空間の有効
利用を図ることができる。これは、単位体積当たりのコ
ストが高いクリーンルームに分岐管を配置する場合に
は、特に有効となる。
【００３６】また、分岐管の内径を接続機器の性能に合
わせて定めることで、低温流体を過不足なく使用するこ
とができる。特に、低温流体が接続機器から排出された
後、その使用済み流体を寒冷源として用いる手段、例え
ば熱交換器を設けた場合には、低温流体をより一層無駄
なく使用することができ、省エネルギという観点からも
好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による液体窒素用配管設備を有する半導
体製造工場を示す説明図である。
【図２】本発明による配管設備の分岐管に適用可能な電
磁弁の構造を示す断面図であり、（ａ）は閉鎖状態、
（ｂ）は開放状態を示す図である。
【符号の説明】
１…工場建屋、２…半導体製造装置、３…クリーンルー
ム、４…半導体製造用付属機器、５…ユーティリティル
ーム、６…冷却装置、７…貯槽、８…気液分離器、１７
…主管、１８，１９…分岐管、２１，２２…排出管、２
３，２４…熱交換器、３０…電磁弁。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西川 幸伸 東京都江東区東雲一丁目９番１号 テイ サン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−17300（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F17D 1/08

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液化された低温流体を複数の機器に供給
    するための低温流体用配管設備において、 前記低温流体を貯蔵する貯槽と、 前記貯槽から前記低温流体を取り出し輸送する第１の配
    管と、 前記機器よりも高い位置に設置され、前記第１の配管か
    らの前記低温流体を受け入れる気液分離器と、 前記気液分離器の内部圧力を所定圧力に調整する圧力調
    整手段と、 前記気液分離器の底部から前記低温流体を取り出す第２
    の配管と、 前記第２の配管から分岐し、それぞれ、前記第２の配管
    からの前記低温流体を前記機器に供給する複数の第３の
    配管と、 を備え、前記第３の配管を、前記第２の配管の外径より
    も小さな外径を有する断熱配管としたことを特徴とする
    低温流体用配管設備。
  2. 【請求項２】 前記第３の配管の外径は２０ｍｍ〜３５
    ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の低温流体
    用配管設備。
  3. 【請求項３】 前記低温流体は大気圧中で−１００℃以
    下の流体であることを特徴とする請求項１又は２に記載
    の低温流体用配管設備。
  4. 【請求項４】 前記所定の機器から排出された使用済み
    流体を寒冷源として用いる手段を設けたことを特徴とす
    る請求項１〜３のいずれか１項に記載の低温流体用配管
    設備。
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