JP3283245B2 - 精密温調装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、流体の温度、例え
ばクリーンルーム内等に設けられたチャンバ内の温度
を、消費電力を削減しながら精密に温度制御するための
精密温度制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体プロセスをはじめとした精密加工
を行うプロセスにおいて、プロセス装置は年間を通じて
安定した運転状態を維持し、また停止状態においても装
置自身の精度を維持するために安定した環境下におかれ
る必要がある。この為、半導体プロセス装置を取り扱う
場合、温湿度制御がされたクリーンルーム内にプロセス
装置を設置すると共に、特に加工精度の高いプロセス装
置は隔壁で仕切ったチャンバと呼ばれる容器内に収容し
て稼働している。

【０００３】そのチャンバ内はプロセス装置の環境を維
持するため、±０．１℃またはこれ以上の安定度に精密
温度制御された空間となっており、プロセス装置はこの
環境下で加工精度を確保している。

【０００４】チャンバの温度制御は、冷凍サイクルを用
いて行われ、チャンバ内の空気を空調機内に設置した蒸
発器に導入し、半導体プロセス装置から発生する熱を処
理（吸熱）した空気を、チャンバの設定温度以下になる
まで一旦冷却した後、一般的には、その空気を電気ヒー
タを用いて設定温度になるまで再加熱して温度制御を行
っている。

【０００５】一方、半導体製造プロセス装置は半導体の
世代が進むにつれ、大型化すると同時に消費する電力の
量も増加し、半導体工場での消費電力は膨大な量を必要
としてきている。特に上記の高度な温度制御を必要する
プロセス装置のための再加熱用電気ヒータは、消費電力
のうちのかなりの割合を占めている。

【０００６】従来、冷凍サイクルの廃熱を利用して温度
制御を行うよう提案された装置もあったが、廃熱の回収
が十分でなかったり、廃熱の回収に使用される部材の応
答が遅く、上記のような高精度な温度制度を要求される
装置においては十分な機能が果たされていないのが現実
であった。

【０００７】例えば、図５は、特公平３−５０９４５号
公報で提案された、冷凍サイクルの廃熱を利用して温度
制御しようとする装置を示している。

【０００８】先ず、冷凍サイクル５０は、圧縮機５１の
吐出側から吸い込み側にかけて冷媒配管６１にて凝縮器
５２、膨張弁５７、蒸発器５３が順次接続されて構成さ
れ、その蒸発器５３の空気出口側に再加熱器５４が配置
され、圧縮機５１から凝縮器５２に至る冷媒配管６１
に、平行に廃熱回収のための加熱器５４が、制御弁５６
と分岐管５５にて接続されて冷凍サイクルの廃熱を利用
した温度制御装置が構成される。

【０００９】この装置においては、凝縮器５２で放熱
し、蒸発器５３で、被温度制御媒体である空気を冷却す
るが、必要に応じて制御弁５６を開くことにより、圧縮
機１を出たホットガスと呼ばれる高温・高圧のガスが、
加熱器５４内に導入され、蒸発器５３で冷却された空気
を加熱することになる。

【００１０】この場合、加熱器５４の空気吹き出し側
に、温度センサ５８が設けられ、その温度センサ５８で
加熱器５４からの空気の温度を測定して温度調節計５９
に入力し、温度調節器５９で制御弁５６の開度を制御し
て加熱器５４に流すホットガス流量をフィードバック制
御するようにしている。

【００１１】なお、６０は凝縮器５２の放熱用の冷却水
配管である。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】このような構成の従来
技術上の問題点は、分岐管側の制御弁５６が開いても圧
力バランスによっては分岐管側に冷媒ガスが流れず、十
分な廃熱の回収ができない問題があった。

【００１３】また、制御弁５６に使用される弁はモータ
等により弁の開度を決定するタイプであるため温度調節
計５９からの制御指令に対し応答が数十秒と遅く、±
０．１℃程度の温度精度までが限界で、それ以上の温度
精度を制御するには応答性のよい電気ヒータを使用し、
サイリスタによる通電制御を行うことを必要としてい
た。

【００１４】そこで、本発明の目的は、ホットガスを凝
縮器と再加熱器の圧力バランスに依存せずに機械的に分
流し、確実に再加熱器に導入してチャンバ内を精密温調
できる精密温調装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、チャンバに臨んで、そのチャ
ンバからの空気を冷却する冷凍サイクルの蒸発器を設置
し、その蒸発器で冷却された空調空気を再加熱して精密
温調してチャンバに吹き出すチャンバの精密温調装置に
おいて、蒸発器の空気吹き出し側に配置された再加熱器
と、空気圧で作動され、圧縮機から凝縮器に至るホット
ガスを分流して上記再加熱器にバイパスさせる三方比例
制御弁と、圧力空気源に接続され、入力される電気信号
に応じた空気圧に変換し、その空気圧で三方比例制御弁
の分流比を制御する電−空変換器と、チャンバ内に吹き
込まれる温度を検出する温度センサと、その温度センサ
の検出値が入力され、その温度に応じて上記三方比例制
御弁の分流比を制御すべく電−空変換器に電気信号を出
力する温度調節計とを備えた精密温調装置である。

【００１６】請求項２の発明は、圧縮機の吐出側に三方
比例制御弁が接続され、その三方比例制御弁の一方の出
口ポートに凝縮器が接続され、他方の出口ポートに再加
熱器が接続され、その再加熱器の出口側が凝縮器の入口
側に接続されて合流される請求項１記載の精密温調装置
である。

【００１７】請求項３の発明は、再加熱器の出口と凝縮
器の入口側を結ぶラインに逆止弁が接続され、三方比例
制御弁の入口ポートと再加熱器の出口ポートとがキャピ
ラリー管等の圧力バランスラインで接続された請求項２
記載の精密温調装置である。

【００１８】請求項４の発明は、圧縮機の吐出側に三方
比例制御弁が接続され、その三方比例制御弁の一方の出
口ポートに凝縮器が接続され、他方の出口ポートに再加
熱器が接続され、その再加熱器の出口側が凝縮器の入口
側に接続されて合流される請求項２又は３記載の精密温
調装置である。

【００１９】請求項５の発明は、再加熱器の出口と凝縮
器の入口側を結ぶラインに逆止弁が接続され、三方比例
制御弁の入口ポートと再加熱器の出口ポートとがキャピ
ラリー管等の圧力バランスラインで接続された請求項４
記載の精密温調装置である。

【００２０】

【００２１】

【００２２】以上より、本発明は、三方比例制御弁を用
いて、ホットガスを凝縮器と再加熱器の圧力バランスに
依存せずに機械的に分流し、確実に再加熱器に導入する
ことにより、冷凍サイクルの廃熱を確実に回収し従来技
術の欠点を克服することが可能となる。

【００２３】また、本発明においては、従来使用されて
いた電動モータ型の制御弁の応答性の遅さを解消し、応
答速度の速い三方比例制御弁を採用することにより、高
度な温度安定度を必要とする精密温度制御において、温
度制御に用いる再加熱用の電気ヒータの採用をやめ、大
幅に消費電力の削減を図ることが可能となる。

【００２４】また、温度の安定度については、従来廃熱
利用のシステムでは不可能に近かった±０．１℃以下の
精度を確保することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適実施の形態を
添付図面に基づいて詳述する。

【００２６】図１において、半導体製造プロセス装置
（図示せず）を収容するチャンバ１０は、クリーンルー
ム等に設けた隔壁室１１内に形成される。

【００２７】この隔壁室１１には、チャンバ１０と空気
通路２０と機械室１６と流入室２４が形成される。チャ
ンバ１０の前後はフィルタ２１と排気板２２で区画さ
れ、排気板２２と空調通路２０とがリターンダクト２３
で接続される。機械室１６とフィルタ２１間には、蒸発
器１７、再加熱器１８及び送風機１９が収容される空気
通路２０と、その空気通路２０につながる流入室２４が
形成される。

【００２８】機械室１６内には、圧縮機１２、三方比例
制御弁１３、凝縮器１４、膨張弁１５が収容され、これ
ら圧縮機１２、三方比例制御弁１３、凝縮器１４、膨張
弁１５と、空調通路２０内に収容した蒸発器１７、再加
熱器１８とで冷凍サイクルが構成される。

【００２９】リターンダクト２３には、矢印ＯＡで示す
ように外気導入ラインが接続され、外気導入により、チ
ャンバ１０内が、クリーンルームより若干圧力が高い陽
圧に保たれるようにされている。

【００３０】フィルタ２１の吹き出し側には温度センサ
２５が設けられ、その検出値が信号ライン３３を介して
温度調節計２６に入力され、温度調節計２６が検出温度
に応じて、制御ライン３４を介して三方比例制御弁１３
を制御し、三方比例制御弁１３の開度を決定することに
より分流比を制御するようになっている。

【００３１】これにより従来技術（図５）では、凝縮器
５２と再加熱器５４の圧力バランスに影響されながら分
流比が決定されていたものが、三方比例制御弁１３の開
度により機械的に決定され、確実に分流比が確定するこ
とが出来る。

【００３２】三方比例制御弁１３は、詳細は後述する
が、電−空変換器３５を有し、その電−空変換器３５に
圧力空気源３６が接続されて構成され、制御ライン３４
からの電気信号（電流或いは電圧）が電−空変換器３５
に入力されると、圧力空気源３６から電気信号の値に比
例した空気圧力に変換され、その空気圧に基づいて凝縮
器１４と再加熱器１８に流れるホットガスの分流比を調
整するようになっている。

【００３３】三方比例制御弁１３の圧縮機１２側のポー
トと、再加熱器１８に至るポートを結んでキャピラリ管
３７が接続され、その再加熱器１８と凝縮器１４に至る
ライン３８に圧縮機１２側からのホットガスの逆流を阻
止するための逆止弁３９が接続される。

【００３４】また凝縮器１４には、冷却水の供給管２７
と排出管２８が接続され、その排出管２８に制御弁２９
が接続され、凝縮器１４で熱交換された廃熱を冷却水に
て装置外に排出する。

【００３５】図２は、図１に示した再加熱器１８を組み
込んだ冷凍サイクル３０を示したものである。

【００３６】図２において、圧縮機１２の吐出側より冷
媒配管３１を介して凝縮器１４、膨張弁１５及び蒸発器
１７が順次接続されて冷凍サイクル３０が構成され、そ
の冷凍サイクル３０の蒸発器１７の空気吹き出し側に再
加熱器１８が設けられる。

【００３７】この再加熱器１８は、圧縮機１２から凝縮
器１４に至る吐出側配管３１ａに三方比例制御弁１３が
接続され、その三方比例制御弁１３の分岐ポートと再加
熱器１８の入口側とが分岐ライン３２で接続され、再加
熱器１８の出口側が逆止弁３９が接続されたライン３８
を介して凝縮器１４の入口側に接続されて、ホットガス
による空調空気の再加熱を行えるようになっている。

【００３８】また、圧縮機１２から三方比例制御弁１３
の間と分岐ライン３２とを結んで圧力バランスラインと
してのキャピラリ管３７が接続される。

【００３９】三方比例制御弁１３は、上述したように圧
力空気源３６に接続された電−空変換器３５を有し、そ
の弁本体４０に、入口ポート４１と２つの出口ポート４
２，４３が形成され、その入口ポート４１から各出口ポ
ート４２，４３に至る流路に、調節弁４４，４５が設け
られて構成される。

【００４０】三方比例制御弁１３の分流比の制御は、制
御ライン３４からの電気信号に比例した空気圧に電−空
変換器３５が変換し、その変換された空気圧に基づいて
両調節弁４４，４５の弁開度を制御するものある。この
場合、両調節弁４４，４５は、一方が開放されると他方
が閉じるよう連動するように構成され、一方の調節弁４
４が、出口ポート４２を介して凝縮器１４側に、他方が
出口ポート４３を介して再加熱器１８側に接続され、空
気圧が高くなるに伴って調節弁４４の弁開度が小さく、
同時に調節弁４５の弁開度が大きくなるように両弁４
４，４５が連動して開度が変化して分流比を制御するよ
うになっている。

【００４１】また、図中、３９は、凝縮器１４側から再
加熱器１８に高温の冷媒が逆流するのを防止するための
逆止弁である。

【００４２】尚、図２において、凝縮器１４には、冷却
水の供給管２７と制御弁２９が接続され冷却水の排出管
２８が接続され、また送風機１９は、チャンバ１０内の
空気を蒸発器１７、再加熱器１８を通して吸引するよう
に設けられる。

【００４３】次に本発明の作用を述べる。

【００４４】先ず、図２の冷凍サイクル３０における冷
媒は、圧縮機１２で高温高圧冷媒ガス（ホットガス）と
されて凝縮器１４に流れ、そこで冷却水と熱交換されて
凝縮され、膨張弁１５で減圧されて、気液混合冷媒とな
って蒸発器１７に流れ、そこで送風機１９で循環される
チャンバ１０内空気と熱交換して蒸発して圧縮機１２に
戻り再度圧縮されて循環する。

【００４５】この冷凍サイクル３０の運転中、三方比例
制御弁１３の分流比が調整されて圧縮機１２からのホッ
トガスが再加熱器１８に流され、蒸発器１７で冷却され
た空気をホットガスで設定温度まで再加熱し、チャンバ
１０内を精密温度制御する。

【００４６】すなわち、図１に示すように、チャンバ１
０内の空気は、空調通路２０内の蒸発器１７で、設定温
度に対して、例えば約５℃低い温度まで一旦冷却され、
その空気が、再加熱器１８内を流れるホットガスで熱交
換されて設定温度まで再加熱され、送風機１９よりフィ
ルタ２１を通してチャンバ１０内に吹き出されてチャン
バ１０内温度が制御される。

【００４７】この精密温度制御の際、温度センサ２５
は、フィルタ２１から吹き出される温度を検出し、その
温度に応じて温度調節計２６が、制御ライン３４を介し
て三方比例制御弁１３の分流比を調整して再加熱器１８
に流入するホットガス量を制御して再加熱の熱量制御を
行う。

【００４８】この精密温調制御を行う際、三方比例制御
弁１３は電−空変換器３５の空気圧で、その開度比が調
整され、出口ポート４２，４３から分流されたホットガ
スが凝縮器１４と再加熱器１８に流れるが、圧縮機１２
の立上運転時に、調整弁４５が設定温度の関係で全閉
で、調節弁４４側が全開で運転されるとすると、ホット
ガスの全量が凝縮器１４側に流れて凝縮器１４は高圧と
なるが、再加熱器１８は、調整弁４５が全閉で、しかも
凝縮器１４と再加熱器１８間は逆止弁３９でカットされ
ているため、調整弁４５の出口ポート４３は、停止時の
再加熱器１８の圧力ままで低圧となり、調節弁４４の出
口ポート４２の圧力は圧縮機１２の吐出圧となり高圧と
なるため、調整弁４５の出入口での圧力差が大きく、そ
の後、再加熱器１８の調整弁４５を電−空変換器３５の
空気圧で開こうとしても、圧力差に抗して調整弁４５の
開度を調整することが困難となる。

【００４９】そこで圧縮機１２の吐出側と分岐ライン３
２間に、圧力バランスラインとしてのキャピラリ管３７
を接続し、立上運転時に調整弁４５が全閉でも、キャピ
ラリ管３７を通してホットガスを再加熱器１８に流すこ
とで、調整弁４５の出口ポート４３の圧力を吐出圧近く
まで上げることが可能となり、出入口の圧力差をなくす
ことで、電−空変換器３５の空気圧による三方比例制御
弁１３の開度制御を良好に行うことが可能となる。

【００５０】このキャピラリ管３７は、立ち上げ運転の
時に圧力バランスをとるものでありるため、開閉弁とし
てもよく、また三方比例制御弁１３内に予め設けてもよ
い。

【００５１】なお、上述の実施の形態においては、分岐
ライン３８の分岐点に三方比例制御弁１３を配置して、
再加熱器１８にホットガスを分流して再加熱を行う例を
説明したが、三方比例制御弁１３を吐出側配管３１ａと
分岐ライン３８の合流点に配置し、三方合流比例制御弁
として制御することも可能である。

【００５２】次に、この再加熱を図３に示したモリエル
線図上の冷凍サイクルで説明する。

【００５３】図３において、横軸は冷媒のエンタルピ
（熱量）、縦軸は圧力を示し、Ｇは、飽和ガス線を、Ｌ
ｑは飽和液線を示している。

【００５４】先ず冷媒は、点ａに示すように飽和ガス線
Ｇよりスーパヒートされた状態で、圧縮機に吸い込まれ
て圧縮され、点ｂまで圧縮されて凝縮器に流入し、そこ
で冷却水との熱交換で点ｃまで凝縮され、膨張弁で点ｄ
まで膨張（減圧）されて蒸発器に流入し、そこでチャン
バ内空気と熱交換して蒸発されて点ａに戻って圧縮−凝
縮−膨張−蒸発工程を繰り返す。

【００５５】この冷凍サイクルにおいて、チャンバ外環
境はクリーンルームであり温湿度制御がなされており、
膨張弁１５の開度は一定にされ、凝縮圧力は、一定に保
持されて運転される。すなわち、チャンバ１０からリタ
ーンダクト２３を介して蒸発器１７に導入される循環空
気の熱量は、半導体製造プロセス装置等で生じる熱量
と、チャンバ１０内を陽圧に保つための外気導入による
熱量とで変動するが、凝縮圧力が一定となるように、凝
縮器１４に流す冷却水量を、凝縮圧力制御弁２９で調整
することで、熱量の変動にかかわらず冷凍サイクルを安
定にすることができる。

【００５６】従来においては、再熱化のために電気ヒー
タを蒸発器の吹き出し側に設置し、その蒸発器からの空
調空気を再加熱しているため、チャンバ内の温度制御
は、冷凍サイクルと、再熱化のための電力との双方で精
密温度制御を行っており、しかも再熱化のための電気ヒ
ータの熱量も冷凍サイクルで放熱しており、ランニング
コストが、再熱化分も含めてかかっていた。

【００５７】本発明においては、チャンバ１０内の精密
温度制御を冷凍サイクルのみで行うようにしたので、図
２に示した点ｂの熱量のホットガスを、再加熱器１８に
流し、三方比例制御弁１３にて、そのホットガス量を制
御することで、すなわち、点ｂと点ｃ間で、且つ飽和ガ
ス線Ｇと飽和液線Ｌｑ間にある点をｅとしたとき、点ｂ
から点ｅの熱量を再熱化のために用い、点ｅから点ｃ間
での熱量を凝縮器１４で放熱させることで、ランニング
コストを抑えた精密温度制御が可能となる。

【００５８】すなわち、従来のように電気ヒータの温度
制御にて、電気ヒータが最大出力の５０％で稼動してい
るチャンバを本発明のシステムにて稼動すると、電気ヒ
ータ５０％の電気エネルギと電気ヒータ５０％稼動によ
る熱量に対する冷却水を製造するための冷却負荷エネル
ギが不要となり、工場設備としてみれば実質的に電気ヒ
ータ１００％分のエネルギの低減が可能となる。

【００５９】従って、再熱化用の電気ヒータ容量が大き
くなればなるほど得られる省エネ効果も大となる。

【００６０】この再熱化のためにホットガスを分流する
三方比例制御弁１３は、温度センサ２５の検出値に応じ
て温度調節計２６で、分流比の制御がなされ、凝縮器１
４と再加熱器１８に流すホットガスを分配することで、
点ｅを自在に変えて、再熱化のための熱量（点ｂ−点
ｃ）を制御することが可能であり、従来の電気ヒータ制
御と比べてもその精密温度制御は同じにできる。

【００６１】上述したように三方分流比例制御弁１３
は、従来方式と違って、空気圧でダイヤフラム弁４４，
４５を制御する電−空比例制御方式のもので、アクチュ
エータ単体での応答速度は数１０ｍｓｅｃ、分解能は約
１／２０００であり、空気圧制御のため、耐久性が高
く、早い応答速度と高精度な開度制御が可能である。

【００６２】すなわち、従来から冷媒流量を比例制御す
るアクチュエータは存在しているが、その大半はリニア
モータを使用しており、その応答速度は数十秒と非常に
長く、ギア等の機械的な摩耗によるアクチュエータの寿
命の問題やゼロ点位置のドリフト等の問題があり、ホッ
トガス流量を正確に制御することは困難であったが、電
空比例制御方式の三方比例制御弁１３を用いることで、
耐久性が高く、早い応答速度と高精度な開度制御が可能
となる。

【００６３】図４は、チャンバ内の設定温度を２３℃と
し、周囲温度を２４℃付近で約３℃の変動幅で略３０分
周期で変化させたときのチャンバ温度の経時変化のデー
タを示したものである。

【００６４】図４に示すように、本発明においては、チ
ャンバ内設定温度２３℃に対して、±０．０１℃以内に
収めることができた。

【００６５】なお、上述の実施の形態においては、再加
熱器１８にホットガスを流して再熱化を行う例を説明し
たが、チャンバ１０内で空調空気を２系統に分けて、制
御する場合もあるため、電気ヒータを兼用してもよく、
また再加熱器を２基にしてそれぞれにホットガスを流す
ように構成してもよい。

【００６６】また、上述の実施の形態においては、流体
としてチャンバ１０の空気を精密温調する例で説明した
が、この他、流体としては恒温槽の冷却水等の温度を精
密温調するようにしてもよい。

【００６７】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、再加熱の
ための熱源に冷凍サイクルのホットガスを用いることで
ランニングコストが低く、しかも、電−空変換器を用い
て三方比例制御弁の分流比を制御することで、高精度な
精密温度制御が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。

【図２】図１における冷凍サイクルを示す図である。

【図３】本発明において、モリエル線図上の冷凍サイク
ルを説明する図である。

【図４】本発明において、精密温調を行ったときの周囲
温度とチャンバ内温度の経時変化を示す図である。

【図５】従来技術による廃熱利用型の温度制御装置の例
である。

【符号の説明】

１０ チャンバ １２ 圧縮機 １３ 三方比例制御弁 １４ 凝縮器 １７ 蒸発器 １８ 再加熱器 ２５ 温度センサ ２６ 温度調節計 ３０ 冷凍サイクル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 29/00 381 F24F 11/02 102 F25B 29/00 411 F16K 31/12 F16K 11/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンバに臨んで、そのチャンバからの
   空気を冷却する冷凍サイクルの蒸発器を設置し、その蒸
   発器で冷却された空調空気を再加熱して精密温調してチ
   ャンバに吹き出すチャンバの精密温調装置において、蒸
   発器の空気吹き出し側に配置された再加熱器と、空気圧
   で作動され、圧縮機から凝縮器に至るホットガスを分流
   して上記再加熱器にバイパスさせる三方比例制御弁と、
   圧力空気源に接続され、入力される電気信号に応じた空
   気圧に変換し、その空気圧で三方比例制御弁の分流比を
   制御する電−空変換器と、チャンバ内に吹き込まれる温
   度を検出する温度センサと、その温度センサの検出値が
   入力され、その温度に応じて上記三方比例制御弁の分流
   比を制御すべく電−空変換器に電気信号を出力する温度
   調節計とを備えたことを特徴とする精密温調装置。
2. 【請求項２】 圧縮機の吐出側に三方比例制御弁が接続
   され、その三方比例制御弁の一方の出口ポートに凝縮器
   が接続され、他方の出口ポートに再加熱器が接続され、
   その再加熱器の出口側が凝縮器の入口側に接続されて合
   流される請求項１記載の精密温調装置。
3. 【請求項３】 再加熱器の出口と凝縮器の入口側を結ぶ
   ラインに逆止弁が接続され、三方比例制御弁の入口ポー
   トと再加熱器の出口ポートとがキャピラリー管等の圧力
   バランスラインで接続された請求項２記載の精密温調装
   置。