JP3880519B2 - 冷却装置及びこれを含むエアロゾル生成システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却装置及びこれを用いたエアロゾル生成システムに関するものであって、特に二酸化炭素を冷却させた後、固体状態の微細粒子からなる二酸化炭素エアロゾルを噴射するためのＣＯ₂エアロゾル生成システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＣＤ 、導電性薄膜または半導体集積回路などのような微細製品の場合物理的、化学的汚染にかなり脆弱である。また、このような微細製品のサイズがだんだん小型化、集積化されていく傾向につれて微細粉塵による汚染が製品の収率及び不良率を決定する主要因とされて、これらの微細製品の表面洗浄に対しての要求がだんだん高まっている。
【０００３】
このような傾向につれて、洗浄媒体の表面を洗浄するための方法にあっても多様な新しい方法が台頭されている。
【０００４】
その一つとして、米国特許第５，２９４，２６１号は洗浄媒体としてアルゴン（Ａｒ）及び窒素（Ｎ₂） エアロゾルを利用して洗浄媒体の表面を洗浄する装置を開示する。開示された装置は、冷却装置を利用して高純度高圧状態のアルゴン及び窒素を略−１６０℃乃至−２００℃ に冷却させて極低温体を形成した後、冷却された極低温体をノズルまたはバルブを通過させて低圧で膨張させることにより固体状態のエアロゾルを生成して、生成されたエアロゾルを洗浄媒体の表面に衝突させることにより洗浄媒体の表面を洗浄する。ここで、洗浄媒体としてのアルゴン及び窒素は固体状態のエアロゾルを生成するための温度が非常に低く、かつ大気中では大きい温度差により固状に維持しがたいため、洗浄工程は大部分真空状態で行わなければならない。
【０００５】
また他の方法として、米国特許第５，４８６，１３２号では洗浄媒体として二酸化炭素（ＣＯ₂）エアロゾルを利用して洗浄媒体の表面を洗浄する装置を開示している。ここでは、洗浄媒体としての二酸化炭素は冷却装置を利用して比較的に高い温度、即ち、約−８０℃乃至−１００℃ に冷却される。
【０００６】
以上説明した方法において、冷却装置は冷媒として−１９８℃以下の液化窒素を含む熱交換器を利用するが、ここで洗浄媒体はこのような熱交換器を通過して冷却される。このような液化窒素を含む冷却装置は、温度制御が難しいため洗浄媒体が過冷却される可能性が高い短所がある。洗浄媒体が過冷却されると、熱交換器を通過した洗浄媒体が膨張もされる前に固化され、洗浄媒体を移送する移送管とノズルが固化された洗浄媒体により詰まってしまう問題が発生する可能性が高い。これを防止するために、洗浄媒体の圧力を増大させたりもするが、これは洗浄媒体の消費が増大される問題点がある。また、このような冷却装置では熱交換器に液化窒素を持続的に供給しなければならないため多い量の液化窒素が消費される問題点がある。
【０００７】
このような問題点を解決するために、単一または混合ガス冷媒を用いた逆カルノーサイクル方式の冷却機を利用する。逆カルノーサイクル方式の冷却機で冷媒は圧縮機の断熱圧縮過程、凝縮器の凝縮過程、膨張バルブの断熱膨張過程及び蒸発器の蒸発過程を循環して、ここで洗浄媒体は蒸発器で冷媒に熱を奪われ冷却されるようになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、冷媒を用いた逆カルノーサイクル方式の冷却装置とこれを含むエアロゾル生成システムを提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、二元冷却方式で異なる二つの冷媒を利用した逆カルノーサイクル方式の冷却装置とこれを含むエアロゾル生成システムを提供することにある。
【００１０】
【発明の構成】
本発明の観点による冷却装置の構成は、圧縮機、凝縮器及び膨張バルブを通過して低温低圧に形成された冷媒が流動するためのコイル状に巻取された蒸発器と、入口、出口及び前記蒸発器に沿ってコイル状に巻取された熱交換領域で構成されて、微細製品を洗浄する洗浄媒体が流動するための移送管とを含む。
また、圧縮機、凝縮器及び膨張バルブを通過して低温低圧に形成された冷媒が流動するためのコイル状に巻取された蒸発器と、入口、出口及び前記蒸発器に沿ってコイル状に巻取された熱交換領域で構成されて洗浄媒体が流動するための移送管と、前記移送管の出口に設けられて、排出される洗浄媒体の温度を測定する温度センサーと、前記温度センサーから測定された値により制御されるヒーターとを含む。
【００１１】
本発明の他の観点による冷却装置の構成は、第１圧縮機、第１凝縮器及び第１膨張バルブを通過した第１冷媒が流動するためのコイル状に巻取された第１蒸発器と、第２圧縮機、前記第１蒸発器を通過する第２凝縮器及び第２膨張バルブを通過した第２冷媒が流動するためのコイル状に巻取された第２蒸発器と、入口、出口及び前記第２蒸発器に沿ってコイル状に巻取された熱交換領域で構成されて洗浄媒体が流動するための移送管とを含む。
また、第１圧縮機、第１凝縮器及び第１膨張バルブを通過した第１冷媒が流動するためのコイル状に巻取された第１蒸発器と、第２圧縮機、前記第１蒸発器を通過する第２凝縮器及び第２膨張バルブを通過した第２冷媒が流動するためのコイル状に巻取された第２蒸発器と、入口、出口及び前記第２蒸発器に沿ってコイル状に巻取された熱交換領域で構成されて洗浄媒体が流動するための移送管と、前記移送管の出口に設けられて、排出される洗浄媒体の温度を測定する温度センサーと、前記温度センサーから測定された値により制御されるヒーターとを含む。
【００１２】
本発明のまた他の観点によるエアロゾル生成システムの構成は、洗浄媒体の供給源及びキャリアガス供給源と、前記洗浄媒体供給源から供給された洗浄媒体を冷却させるための冷却装置と、前記冷却装置から供給された洗浄媒体とキャリアガス供給源から供給されたキャリアガスとを混合して外部へ噴射するためのノズルを含む。
【００１３】
本発明の一実施例によると、前記洗浄媒体は二酸化炭素である。
【００１４】
本発明の一実施例によると、前記洗浄媒体は前記移送管の熱交換領域で冷却されて相変異することにより液化される。
【００１５】
本発明の一実施例によると、前記ヒーターは前記蒸発器にまたは前記移送管の熱交換領域に接触されるように設置される。
【００１６】
本発明の一実施例によると、前記洗浄媒体が相変異される比率はヒーターにより調節される。
【００１７】
本発明の一実施例によると、前記移送管の熱交換領域は蒸発器の内部に沿って同一形状に延長される。
【００１８】
本発明の一実施例によると、前記移送管の熱交換領域は蒸発器の外部に沿って同一形状に延長される。
【００１９】
本発明の一実施例によると、前記洗浄媒体は前記移送管の熱交換領域で−８０℃乃至−１００℃に冷却される。
【００２０】
本発明の一実施例によると、前記第２冷媒の冷却率は前記第１冷媒の冷却率より高い。
【００２１】
以下、添付の図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施例によるエアロゾル生成システムの構成を示している。図１に示されたように、本発明の一実施例によるエアロゾル生成システムは洗浄媒体供給源１０、キャリア供給源２０、ノズル５０及び冷却装置３０を含んでいる。
【００２３】
洗浄媒体供給源１０は、気状の洗浄媒体を貯蔵する容器である。洗浄媒体としては、高純度の二酸化炭素（ＣＯ₂）またはアルゴン（Ａｒ）が使用されるが、本発明では例示的に二酸化炭素を使用する。二酸化炭素は第１移送管１４を通じて洗浄媒体供給源１０から冷却装置３０に供給される。
【００２４】
図２は、本発明の一実施例による冷却装置３０を示している。冷却装置３０は圧縮機１１２ 、凝縮器１１４、膨張バルブ１１６、蒸発器１１８などが冷媒の循環流動できるように冷媒移送管により連結された逆カルノーサイクル方式の冷却機１１０と、入口１２２、出口１２４及び蒸発器１１８を通過する熱交換領域１２６などで構成されて、二酸化炭素が流動するための洗浄媒体移送管１２０と、温度センサー１３０及びヒーター１４０などを含む。
【００２５】
冷却機１１０は、次のように作動する。先ず、冷媒は低温低圧の乾燥飽和蒸気の状態として圧縮機１１２に供給されて、圧縮機１１２を通過することにより断熱圧縮されて高温高圧の過熱蒸気の状態に吐出される。次に、過熱蒸気状態の冷媒は凝縮器１１４に供給されて、凝縮器１１４を通過することにより凝縮液化されて飽和液として吐出されるが、ここで冷媒の凝縮は外部空気により成ってこれは凝縮器１１４に隣接したファン１１５により促進される。続いて、飽和液状態の冷媒は膨張バルブ１１６に供給されて、膨張バルブ１１６を通過することにより断熱膨張されて湿飽和蒸気の状態に吐出される。以後、湿飽和蒸気状態の冷媒は蒸発器１１８を通過することにより洗浄媒体移送管１２０の熱交換領域１２６へ流動する二酸化炭素から熱を吸収して蒸発するようになる。
【００２６】
従って、洗浄媒体移送管１２０の入口１２２から流入されて流動していた気体状態の二酸化炭素は熱交換領域１２６を通る間に冷却されて部分的に液状に相変異するようになる。二酸化炭素が液状に相変異する液化率を高めるために、本発明では洗浄媒体移送管１２０の熱交換領域１２６をコイル形状に巻取された蒸発器１１８に沿って同一な形状に延長することによりこれらの接触時間を最大化した。また、洗浄媒体移送管１２０の熱交換領域１２６及び蒸発器１１８は相互間の接触面積を考慮して多用な方式で接触されることができる。図４Ａ乃至４Ｃは各々本発明の実施例による洗浄媒体移送管１２０の熱交換領域１２６と蒸発器１１８との接触方式を説明する断面図である。図４Ａに示されたように、洗浄媒体移送管１２０の熱交換領域１２６は単一管として蒸発器１１８の内部で蒸発器１１８により囲まれるように構成することができる。これとは反対に、洗浄媒体移送管１２０の熱交換領域１２６は単一管として蒸発器１１８の外部で蒸発器１１８を囲むように設置することもできる。また他の方式として、洗浄媒体移送管１２０の熱交換領域１２６は複数個の管に分割され各々の管が蒸発器１１８の外部に設置されることもできる。望ましくは冷却機１１０の蒸発器１１８及び洗浄媒体移送管１２０の熱交換領域１２６は発泡ポリウレタンのような断熱材により外部から遮断される。
【００２７】
図２に戻って、洗浄媒体移送管１２０の熱交換領域１２６を通過した二酸化炭素は出口１２４を通じて冷却装置３０の外部に排出される。本発明では、洗浄媒体移送管１２０の出口１２４を通じて冷却装置３０の外部に排出される二酸化炭素の温度を−８０℃乃至−１００℃ に調節する。また、二酸化炭素は冷却機１１０の膨張バルブ１１６により各々一定に膨張されるため比較的均一な温度に冷却される。
【００２８】
温度センサー１３０は、洗浄媒体移送管１２０の出口１２４に設けられて排出される二酸化炭素の温度を感知する。ヒーター１４０は、二酸化炭素の液化率を微細に調節するための手段として洗浄媒体移送管１２０の熱交換領域１２６及び蒸発器１１８の外部に設置される。温度センサー１３０から感知された二酸化炭素の温度は制御手段に供給されて、制御手段では感知された温度を判断してヒーター１４０の作動を制御することにより、液化点近くまで冷却された洗浄媒体中の気体と液体との比率、即ち、二酸化炭素の液化率を調節することができる。このように二酸化炭素の液化率を調節することにより、ノズル５０から生成されるエアロゾルの生成量及び粒子の大きさをより微細に制御することができる。
【００２９】
図３は、本発明の第２実施例による冷却装置３０を示す。第２実施例による冷却装置３０は、第１実施例と違って第１冷却機３１０と第２冷却機３２０を含む二元冷却方式を有する。第１冷却機３１０と第２冷却機３２０は、二つとも圧縮機３１２、３２２、凝縮器３１４、３２４、膨張バルブ３１６、３２６及び蒸発器３１８、３２８からなる逆カルノーシステム方式の冷却機である。第１冷却機３１０の冷媒、即ち第１冷媒としてはＲ４０４が使用されて、第２冷却機の冷媒、即ち第２冷却機３２０としては第１冷媒であるＲ４０４より冷却率の高いＲ３２が使用される。
【００３０】
第１冷却機３１０において、第１冷媒の凝縮は外部空気により行われ、これは第１凝縮器３１４に隣接したファン３１５により促進される。また、第１冷却機３１０の第１蒸発器３１８はコイル状に巻取されている。第２冷却機３２０において、第２凝縮器３２４は第１冷却機３１０の第１蒸発器３１８を貫通するように構成される。これにより、第２冷却機３２０を循環する第２冷媒は第１冷却機３１０を循環する第１冷媒と熱交換されることにより凝縮される。第１冷却機３１０を循環する１次冷媒は、第１膨張バルブ３１６を通過して−４０℃乃至−５０℃に冷却されて、これにより第２冷却機３２０の第２冷媒は第１冷媒の第１蒸発器３１８を通過しながら−４０℃乃至−５０℃ に冷却される。そして、−４０℃乃至−５０℃に冷却された２次冷媒は、第２膨張バルブ３２６を通過して−８０℃乃至−１００℃に冷却される。二酸化炭素第２冷却機３２０の第２蒸発器３２８で−８０℃乃至−１００℃の２次冷媒と熱交換されることにより−８０℃乃至−１００℃に冷却される。その他第２ 実施例による冷却装置３０の構成及び作動は第１実施例と同様である。
【００３１】
図１に戻って、冷却装置３０を通過した二酸化炭素は、流量調節器４２を経由してノズル５０に供給される。ここで、流量調節器４２はノズル５０に供給される二酸化炭素の流量を制御する。
【００３２】
キャリア供給源２０は、洗浄媒体と混合されて洗浄媒体を高速に運搬するためのキャリアを貯蔵する。キャリアガスは、キャリア供給源２０から圧力調節器４４及び流量調節器４６を経由してノズル５０に供給される。キャリアガスは、空気や窒素（Ｎ₂）またはアルゴン（Ａｒ）の中から選択することができるが、望ましくは窒素（Ｎ₂）である。また、ノズル５０に供給される窒素の圧力は、二酸化炭素の固化可能な最適の圧力である２７５．８ＫＰａ乃至１１０３．２ＫＰａに調節される。
【００３３】
供給された二酸化炭素と窒素は、混合された後、ベンチュリー形のノズル５０を通過して外部に噴射される。ここで、ベンチュリー形のノズル５０を通過した二酸化炭素はジュールトムソン効果（Ｊｏｕｌｅ−Ｔｏｍｓｏｎ ｅｆｆｅｃｔ）により冷却されることにより固状の粒子に相変異して、それにより微細な粒子からなるエアロゾルが生成されて、生成されたエアロゾルは高圧で外部に噴射されて表面を洗浄するようになる。
【００３４】
以上、本発明について特定の望ましい一実施例を通じて記述したが、本発明は前述の実施例に限定されるものではなく、本発明が属する技術分野で通常の知識を有するものにより、特許請求範囲に記載された本発明の技術的範囲から外れることなしに、多様に変形及び変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエアロゾル生成システムの構成図である。
【図２】本発明の一実施例による冷却装置を説明するための構成図ある。
【図３】本発明の他の実施例による冷却装置を説明するための構成図である。
【図４Ａ】本発明の実施例による冷却装置においてコイル状の蒸発器及び移送管の熱交換領域を説明するための断面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施例による冷却装置においてコイル状の蒸発器及び移送管の熱交換領域を説明するための断面図である。
【図４Ｃ】本発明の実施例による冷却装置においてコイル状の蒸発器及び移送管の熱交換領域を説明するための断面図である。

Claims (17)

1. 圧縮機、凝縮器及び膨張バルブを通過して低温低圧に形成された冷媒が流動するためのコイル状に巻取された蒸発器と、
   入口、出口及び前記蒸発器に沿ってコイル状に巻取された熱交換領域で構成されて、微細製品を洗浄する洗浄媒体が流動するための移送管とを含むことを特徴とする、冷却装置。
2. 第１圧縮機、第１凝縮器及び第１膨張バルブを通過した第１冷媒が流動するためのコイル状に巻取された第１蒸発器と、
   第２圧縮機、前記第１蒸発器を通過する第２凝縮器及び第２膨張バルブを通過した第２冷媒が流動するためのコイル状に巻取された第２蒸発器と、
   入口、出口及び前記第２蒸発器に沿ってコイル状に巻取された熱交換領域で構成されて、微細製品を洗浄する洗浄媒体が流動するための移送管とを含むことを特徴とする、冷却装置。
3. 前記洗浄媒体は、二酸化炭素であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 前記洗浄媒体は、前記移送管の熱交換領域で冷却されて相変異することにより液化されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷却装置。
5. 前記移送管の熱交換領域は、単一管として前記蒸発器の内部に含まれ、前記蒸発器に沿って同一に延長されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷却装置。
6. 前記移送管の熱交換領域は、単一管としてその内部に前記蒸発器を含み、前記蒸発器に沿って同一に延長されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷却装置。
7. 前記移送管の熱交換領域は、複数管として前記蒸発器の外部に接触しながら、前記蒸発器に沿って同一に延長されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の冷却装置。
8. 前記洗浄媒体は、前記移送管の熱交換領域で前記蒸発器と熱交換し−８０℃ 乃至−１００ ℃ に冷却されることを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
9. 前記第２冷媒の冷却率は、前記第１冷媒の冷却率より高いことを特徴とする、請求項２に記載の冷却装置。
10. 前記第２冷媒は、第１凝縮器で前記第１蒸発器と熱交換し−４０℃乃至−５ ０℃に冷却されて、前記洗浄媒体は前記移送管の熱交換領域で前記第２蒸発器と熱交換して−８０℃乃至−１００℃ に冷却されることを特徴とする、請求項９に記載の冷却装置。
11. 請求項１又は２に記載の冷却装置を含み、追加的に冷却装置に洗浄媒体を供給するための洗浄媒体の供給源と、キャリアガスを供給するためのキャリアガス供給源と、前記冷却装置とキャリアガス供給源から各々供給された洗浄媒体とキャリアガスとを混合し外部へ噴射するためのノズルを含むことを特徴とする、冷却装置を含むエアロゾル生成システム。
12. 前記移送管の出口に設けられ、排出される前記洗浄媒体の温度を測定する温度センサーと、前記温度センサーで測定された値により制御されるヒーターとをさらに含むことを特 徴とする、請求項１又は２に記載の冷却装置。
13. 表面洗浄用エアロゾル生成システムにおいて、
    第１冷媒を冷却する第１冷却機と、
    前記第１冷媒により冷却された第２冷媒をさらに冷却し、前記第２冷媒により、微細製品を洗浄する洗浄媒体を冷却する第２冷却機とを含むことを特徴とする、冷却装置。
14. 前記洗浄媒体が流動して且つ前記第２冷却機により前記洗浄媒体の冷却が成される熱交換領域を備えた移送管をさらに含むことを特徴とする、請求項１３に記載の冷却装置。
15. 前記移送管の出口に設けられ、排出される前記洗浄媒体の温度を測定する温度センサーと、前記温度センサーで測定された値により制御されるヒーターとをさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載の冷却装置。
16. 前記洗浄媒体は、二酸化炭素であることを特徴とする、請求項１３乃至１５のいずれか一つの項に記載の冷却装置。
17. 前記洗浄媒体は、前記熱交換領域で冷却されて相変異することにより液化されることを特徴とする、請求項１３乃至１５のいずれか一つの項に記載の冷却装置。

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