JP4413128B2

JP4413128B2 - 超低温冷却装置

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Publication number: JP4413128B2
Application number: JP2004340093A
Authority: JP
Inventors: 寛正清水; 正幸高橋; 昌文八木
Original assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Current assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2024-11-25
Also published as: JP2006153287A

Description

本発明は、混合冷媒を使用したカスケード式超低温冷却装置に関し、特に、超低温レベルにある冷却器をデフロストするときの冷媒や冷凍機油の凝固を防止するための技術に関する。

従来より、−１００℃以下の超低温の寒冷を発生させるための超低温冷却装置として、沸点温度が異なる複数種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を冷媒回路内に封入したカスケード式のものは知られており、例えば真空成膜装置における真空チャンバ等で水分の捕捉に利用されている。

この超低温冷却装置の冷媒回路は、例えば複数段の熱交換器、複数の気液分離器、及び複数の減圧手段を備えており、各気液分離器では、各熱交換器により凝縮された冷媒をガス冷媒と液冷媒とに分離し、その分離された液冷媒を減圧手段で減圧させた後に上記各段の熱交換器で蒸発させ、この蒸発熱により上記気液分離器からのガス冷媒を冷却して凝縮する。つまり、各段の熱交換器においてそれぞれ上記混合冷媒を高い沸点の冷媒から低い沸点の冷媒まで順に凝縮させる。さらに、最低温度の沸点を有する液冷媒をキャピラリチューブ等の減圧手段で減圧させた後に蒸発させる冷却器が設けられていて、この冷却器での最低沸点の液冷媒の蒸発により−１００℃以下の超低温の寒冷を発生させ、この冷却部の寒冷により冷却対象（水分）を冷却して捕捉するようになっている。

ところで、真空チャンバ内で冷却部への水分等の捕捉量が増えると、真空性能が下がるので、冷却器に捕捉された水分等を除去して捕捉能力を確保する必要がある。そのため、従来、例えば特許文献１に示されるように、超低温冷却装置において、圧縮機の吐出側と冷却器とをデフロスト回路で接続し、成膜を行わないときに冷却装置の通常運転を停止してデフロスト運転を行い、そのデフロスト回路により圧縮機の吐出ガスを冷却器に供給して冷却器のデフロスト（除霜）を行うようにしたものが提案されている。
特開平６−３４７１１２号公報

しかし、上記従来の特許文献１のものでは、デフロスト時に圧縮機から吐出された混合冷媒を直接に冷却器に供給しているので、デフロスト時間の短縮やその後の再冷却までの時間を短縮すべく、冷却器が未だ例えば−１００℃以下（例えば−１２０〜−１４０℃）の超低温レベルにあるときに混合冷媒を供給するようにすると、その混合冷媒の中で凝固点の高い冷媒や冷凍機油、つまり融点が−１００℃以上である高沸点冷媒や冷凍機油が冷却器中で凝固してしまう虞れがある。この凝固に伴い、冷却器内の冷媒の流動が固気液の三相流となって、その流動が複雑になったり、配管の閉塞等のきっかけとなったりするという問題が生じる。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたもので、その目的は、上記の如きカスケード式超低温冷却装置のデフロスト時における冷却器への冷媒供給の形態に改良を加えることで、超低温レベルにある冷却器に混合冷媒や冷凍機油を供給しても、その凝固による閉塞が生じないようにし、デフロスト時間の短縮化等を図ることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、カスケード式超低温冷却装置が複数段の気液分離器を有する特徴を活かし、デフロスト時の初期に、高沸点冷媒が少ない混合冷媒を単独で又は圧縮機からの吐出冷媒や冷凍機油と混合して冷却器に供給するようにして、その高沸点冷媒や冷凍機油による凝固を抑制するようにした。

具体的には、請求項１の発明の超低温冷却装置は、沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から吐出された混合冷媒を冷却してそのうちの高沸点冷媒を凝縮する凝縮器と、この凝縮器から吐出された一部液化された混合冷媒を高沸点冷媒から低沸点冷媒へ順に液冷媒及びガス冷媒に分離する複数段の気液分離器と、この各気液分離器で分離された１次側のガス冷媒を、該各気液分離器で分離されかつ減圧された２次側の液冷媒との間で熱交換させて冷却する複数段のカスケード熱交換器と、これら複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器から吐出された低沸点冷媒を蒸発させて冷却対象を超低温レベルに冷却する冷却器とを備える。

さらには、超低温冷却装置は、上記冷却器のデフロスト時に、上記圧縮機から吐出された混合冷媒を上記冷却器に供給する第１デフロスト回路と、上記冷却器のデフロスト時の初期に、上記気液分離器で分離された後のガス冷媒を上記冷却器に供給する第２デフロスト回路とを備える。

そして、上記第２デフロスト回路は、下流端が第１デフロスト回路に接続されていて、該第１デフロスト回路を介してガス冷媒を冷却器に供給するように構成され、第２デフロスト回路の下流端合流部よりも上流側の第１デフロスト回路に第１開閉弁が配置されている一方、第２デフロスト回路に第２開閉弁が配置されている。さらに、これら第１及び第２開閉弁を開閉制御する制御手段を備え、この制御手段は、第２開閉弁の開弁期間を、デフロストの開始から所定の時間が経過するまでの間、デフロストの開始から冷却器の温度が所定温度に上昇するまでの間、又はデフロストの開始から冷却器の圧力が所定圧力に上昇するまでの間のいずれかに制御する一方、第１開閉弁の開弁期間を、上記第２開閉弁が閉じてからデフロストの終了までの間、又はデフロストの開始から終了までの間のいずれかに制御するように構成されているものとする。

また、請求項２の発明の超低温冷却装置は、沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮する圧縮機と、この圧縮機から吐出された混合冷媒を冷却してそのうちの高沸点冷媒を凝縮する凝縮器と、この凝縮器から吐出され一部液化された混合冷媒を高沸点冷媒から低沸点冷媒へ順に液冷媒及びガス冷媒に分離する複数段の気液分離器と、この各気液分離器で分離された１次側のガス冷媒を、該各気液分離器で分離されかつ減圧された２次側の液冷媒との間で熱交換させて冷却する複数段のカスケード熱交換器と、上記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器から吐出された低沸点冷媒が流れる１次側、及び、該１次側から吐出されかつ過冷却用減圧手段により減圧された低沸点冷媒が流れる２次側を有し、上記１次側の低沸点冷媒を２次側の低沸点冷媒との熱交換により冷却する過冷却器と、上記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器から吐出された低沸点冷媒を蒸発させて冷却対象を超低温レベルに冷却する冷却器とを備える。

そして、この超低温冷却装置はさらに、冷却器のデフロスト時に、上記圧縮機から吐出された混合冷媒を上記冷却器に供給する第１デフロスト回路と、上記冷却器のデフロスト時の初期に、上記気液分離器で分離された後のガス冷媒を上記冷却器に供給する第２デフロスト回路とを備える。

また、請求項１の発明と同様に、上記第２デフロスト回路は、下流端が第１デフロスト回路に接続されていて、該第１デフロスト回路を介してガス冷媒を冷却器に供給するように構成され、第２デフロスト回路の下流端合流部よりも上流側の第１デフロスト回路に第１開閉弁が配置されている一方、第２デフロスト回路に第２開閉弁が配置されている。そして、上記第１及び第２開閉弁を開閉制御する制御手段を備え、この制御手段は、第２開閉弁の開弁期間を、デフロストの開始から所定の時間が経過するまでの間、デフロストの開始から冷却器の温度が所定温度に上昇するまでの間、又はデフロストの開始から冷却器の圧力が所定圧力に上昇するまでの間のいずれかに制御する一方、第１開閉弁の開弁期間を、上記第２開閉弁が閉じてからデフロストの終了までの間、又はデフロストの開始から終了までの間のいずれかに制御するように構成されている。

上記請求項１又は２の発明の構成によると、デフロスト時に、基本的に、圧縮機から吐出された混合冷媒が第１デフロスト回路により冷却器に供給されるが、例えば、この第１デフロスト回路による供給に代わって、又は第１デフロスト回路による供給と並行して、デフロストの初期に、気液分離器で分離された後のガス冷媒が第２デフロスト回路により冷却器に供給される。すなわち、デフロスト時、制御手段により第１及び第２開閉弁が制御され、これら第１及び第２の２つの開閉弁を開閉することにより、冷却器に対する冷媒の供給が切り換えられ、第２開閉弁を閉じかつ第１開閉弁を開くことで、圧縮機からの吐出冷媒が第１デフロスト回路を介して冷却器に、また逆に第１開閉弁を閉じかつ第２開閉弁を開くことで、気液分離器で分離された後のガス冷媒が第２デフロスト回路及び第１デフロスト回路を介して冷却器にそれぞれ供給される。具体的には、第２開閉弁の開弁期間が、デフロストの開始から所定の時間が経過するまでの間、デフロストの開始から冷却器の温度が所定温度に上昇するまでの間、又はデフロストの開始から冷却器の圧力が所定圧力に上昇するまでの間のいずれかに制御される一方、第１開閉弁は、上記デフロストの開始から又は上記第２開閉弁が閉じた後に開き、デフロストが終了するまで開く。上記気液分離器で分離された液冷媒は、混合冷媒のうちの高沸点冷媒であるので、同気液分離器で分離された後のガス冷媒は、混合冷媒の中で高沸点冷媒の混合比率（高沸点冷媒濃度）が圧縮機からの吐出冷媒そのものに比べて低く、この高沸点冷媒濃度の低いガス冷媒がデフロストの開始時等に直接冷却器に供給されることとなる。このため、冷却器が例えば−１００℃以下の超低温レベルにあっても、その冷却器で冷媒や冷凍機油の凝固が抑えられるとともに、冷却器に対する２種類の冷媒の供給の切換えを容易に行うことができる。

請求項３の発明では、冷却器により真空チャンバ内の水分を冷却により凍結させるように構成されていることを特徴とする。

このことで、真空チャンバ内の水分を凍結して、安定した真空状態が得られるとともに、デフロスト時間を短縮することができる。

以上説明したように、請求項１又は２の発明によると、カスケード式の超低温冷却装置において、その冷却器のデフロスト時に、圧縮機から吐出された混合冷媒を冷却器に供給する第１デフロスト回路に加え、気液分離器で分離された後のガス冷媒を冷却器に供給する第２デフロスト回路を設け、第２デフロスト回路の下流端を第１デフロスト回路に接続して、第１デフロスト回路を介してガス冷媒を冷却器に供給するようにし、第２デフロスト回路の合流部よりも上流側の第１デフロスト回路に第１開閉弁を、また第２デフロスト回路に第２開閉弁をそれぞれ配置し、第２開閉弁の開弁期間を、デフロストの開始から所定の時間が経過するまでの間、デフロストの開始から冷却器の温度が所定温度に上昇するまでの間、又はデフロストの開始から冷却器の圧力が所定圧力に上昇するまでの間のいずれかに制御し、第１開閉弁の開弁期間は、第２開閉弁が閉じてからデフロストの終了までの間、又はデフロストの開始から終了までの間のいずれかに制御するようにしたことにより、気液分離器で分離された後で混合冷媒の中で高沸点冷媒の混合比率の低いガス冷媒をデフロストの開始初期に第２デフロスト回路及び第１デフロスト回路の一部を経て直接冷却器に供給して、−１００℃以下の超低温レベルにある冷却器で冷媒や冷凍機油の凝固を効果的に抑えることができ、液冷媒の流量が多い大型の冷却器であっても、そのデフロスト運転の安定化やその時間の短縮化を図ることができるとともに、両開閉弁の開閉により、冷却器に対する２種類の冷媒の供給の切換えを容易に行うことができる。

請求項２の発明によれば、冷却器は真空チャンバ内の水分を冷却により凍結させるものとしたことにより、安定した真空状態が得られるとともに、デフロスト時間の短縮化を図ることができる。

以下、本発明の最良の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

（実施形態１）
図２は本発明の実施形態１に係る真空成膜装置Ａのレイアウトの一例を示し、６０は内部が真空状態に保たれて基板（図示せず）が成膜される真空チャンバで、この真空チャンバ６０には、開閉扉６１により開閉される搬入出口（図示せず）が開口されており、開閉扉６１を開いた状態で、成膜しようとする基板を真空チャンバ６０内に搬入し或いは成膜後の基板を真空チャンバ６０内から搬出する。真空チャンバ６０には連通路６２を介して真空ポンプ６３が接続され、連通路６２の真空チャンバ６０との接続部には、開閉により両者を連通状態又は連通遮断状態に切り換わるゲートバルブ６４が配設されており、開閉扉６１を閉じかつゲートバルブ６４を開いた状態で真空ポンプ６３の作動により真空チャンバ６０内を真空引きするようになっている。

上記真空成膜装置Ａには本発明の冷凍システムを構成する超低温冷却装置Ｒが設けられており、この超低温冷却装置Ｒの後述するクライオコイル３３により、真空ポンプ６３の真空引きの状態で真空チャンバ６０内の冷却対象としての水分を直接、超低温レベルまで冷却することにより、その水分等を凍結させて捕捉し真空チャンバ６０内の真空レベルを上げるようになっている。

一方、図３は真空成膜装置Ａのレイアウトの他の例を示し、冷凍機Ｒのクライオコイル３３は真空チャンバ６０内ではなくて連通路６２の途中に配設されており、真空ポンプ６３による真空引きの状態で超低温冷却装置Ｒにより連通路６２内の水分、つまり間接的に真空チャンバ６０内の水分を冷却して凍結させることで、真空チャンバ６０内の真空レベルを高めるようにしている。その他の構造は図２に示す真空成膜装置Ａと同じである。

上記超低温冷却装置Ｒは、冷媒として沸点温度が互いに異なる例えば６種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を用いて−１００℃以下の超低温レベルの寒冷を発生させるものである。

図１は上記超低温冷却装置Ｒの全体構成を示し、１は上記混合冷媒が封入された閉サイクルの冷媒回路で、この冷媒回路１は以下に説明する各種の機器を冷媒配管２で接続してなる。４はガス冷媒を圧縮する圧縮機で、この圧縮機４の吐出部には第１油分離器５が接続されている。この第１油分離器５は、圧縮機４から吐出されたガス冷媒中に混入されている冷凍機油をガス冷媒から分離するものであり、この分離された冷凍機油は油戻し管６を経て圧縮機４の吸入側に戻される。上記第１油分離器５の冷媒吐出部には、圧縮機４からの吐出ガス冷媒を冷却水通路７の冷却水との熱交換により冷却して凝縮する水冷コンデンサ８（凝縮器）が接続されている。水冷コンデンサ８の吐出部には、冷媒中の水分やコンタミネーションを除去するドライヤ９を介して補助コンデンサ１０（凝縮器）の１次側が接続されており、この補助コンデンサ１０において、水冷コンデンサ８からのガス冷媒を圧縮機４に吸入される低温度の２次側の還流冷媒と熱交換して冷却し凝縮する。この実施形態では、水冷コンデンサ８と補助コンデンサ１０とで凝縮器を構成しており、これら両コンデンサ８，１０により、混合冷媒のうち沸点温度が最高温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようになっている。

上記補助コンデンサ１０における１次側の吐出部には第１気液分離器１２が接続され、この第１気液分離器１２で、上記補助コンデンサ１０からの気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。この第１気液分離器１２のガス冷媒吐出部にはカスケードタイプの第１熱交換器１８の１次側が、また液冷媒吐出部には、減圧手段としての第１キャピラリチューブ２４を介して同じ第１熱交換器１８の２次側がそれぞれ接続されており、第１気液分離器１２で分離された液冷媒を第１キャピラリチューブ２４で減圧させた後に第１熱交換器１８の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が２番目に高い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようになっている。

さらに、上記第１熱交換器１８における１次側の吐出部には第２気液分離器１３が接続されており、この第２気液分離器１３において、第１熱交換器１８からの気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。この第２気液分離器１３のガス冷媒吐出部にはカスケードタイプの第２熱交換器１９の１次側が、また液冷媒吐出部には、減圧手段としての第２キャピラリチューブ２５を介して同じ第２熱交換器１９の２次側がそれぞれ接続されており、第２気液分離器１３で分離された液冷媒を第２キャピラリチューブ２５で減圧させた後に第２熱交換器１９の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が３番目に高い温度のガス冷媒を凝縮液化する。

さらに、上記接続構造と同様にして、上記第２熱交換器１９における１次側の吐出部には、第３気液分離器１４、第３熱交換器２０及び第３キャピラリチューブ２６が、また当該第３熱交換器２０における１次側の吐出部には、第４気液分離器１５、第４熱交換器２１及び第４キャピラリチューブ２７がそれぞれ接続されており（これらの接続構造は上記第１気液分離器１２、第１熱交換器１８及び第１キャピラリチューブ２４の接続構造と同じであるので、その詳細な説明は省略する）、第３気液分離器１４で分離された液冷媒を第３キャピラリチューブ２６で減圧させた後に第３熱交換器２０の２次側に供給して蒸発させ、その蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が４番目に高い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するとともに、第４気液分離器１５で分離された液冷媒を第４キャピラリチューブ２７で減圧させた後に第４熱交換器２１の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を熱交換により冷却して、混合冷媒のうち沸点温度が最も低い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようにしている。

そして、上記第４熱交換器２１における１次側の吐出部には熱交換器からなるサブクーラ２２（過冷却器）の１次側２２ａが接続され、このサブクーラ２２の１次側２２ａの吐出部に接続されている冷媒配管２は、途中で主冷媒配管２ａと副冷媒配管２ｂとに分岐されている。

上記副冷媒配管２ｂの途中には第５キャピラリチューブ２８（サブクーラ用減圧手段）が接続されている。また、副冷媒配管２ｂの下流端は同じサブクーラ２２の２次側２２ｂに接続され、このサブクーラ２２の２次側２２ｂは冷媒配管２を介して上記第４熱交換器２１の２次側に接続されており、第４熱交換器２１から吐出された冷媒を、サブクーラ２２の１次側２２ａに通過させた後、その一部を副冷媒配管２ｂの第５キャピラリチューブ２８で減圧させ、その液冷媒をサブクーラ２２の２次側２２ｂに供給して蒸発させ、その蒸発熱により１次側２２ａのガス冷媒を冷却するようにしている。

一方、上記主冷媒配管２ａの途中には、クライオコイル用減圧手段としての第６キャピラリチューブ２９とクライオコイル３３とがそれぞれ上流側から直列に接続されている。また、主冷媒配管２ａの途中には、第６キャピラリチューブ２９と並列に分岐配管２ｃが接続され、この分岐配管２ｃに電磁弁からなる開閉弁３５と、クライオコイル用減圧手段としての第７キャピラリチューブ３０とが直列に接続されている。

上記クライオコイル３３は冷却器を構成するもので、図２又は図３に示すように、上記真空チャンバ６０内の冷却対象としての水分を冷却する。主冷媒配管２ａの下流端は、上記第４熱交換器２１の２次側とサブクーラ２２の２次側２２ｂとの間の冷媒配管２に接続されており、サブクーラ２２の１次側２２ａから吐出された冷媒の残部を主冷媒配管２ａの第６キャピラリチューブ２９のみ、又は第６キャピラリチューブ２９と分岐配管２ｃの第７キャピラリチューブ３０との双方で減圧させた後にクライオコイル３３に供給して蒸発させ、その蒸発熱により真空チャンバ６０内の水分（冷却対象）を−１００℃以下の温度の超低温レベルに冷却し、その水分を凍結させて真空レベルを高めるようにしている。

尚、上記第６及び第７キャピラリチューブ２９，３０に対する冷媒の流れの切換えは開閉弁３５の開閉によって行われ、開閉弁３５を開いたときに第６及び第７キャピラリチューブ２９，３０の双方に、また開閉弁３５を閉じたときに第６キャピラリチューブ２９のみにそれぞれ冷媒が流れるようになっており、冷却負荷等に応じて冷媒流量を可変としている。

また、上記サブクーラ２２の２次側（及びクライオコイル３３）と、第４熱交換器２１、第３熱交換器２０、第２熱交換器１９、第１熱交換器１８及び補助コンデンサ１０の各２次側とは記載順に直列に冷媒配管２により接続され、補助コンデンサ１０の２次側は圧縮機４の吸入側に接続されており、混合冷媒において蒸発によってガス化した各冷媒を圧縮機４に吸入させるようにしている。

４３は吸入側部及び吐出側部が開口された膨張タンク（バッファタンク）で、その吸入側部は、上記第１気液分離器１２のガス冷媒吐出部と第１熱交換器１８の１次側との間の冷媒配管２に供給配管２ｄにより接続され、この供給配管２ｄには逆止弁４０及び開閉弁３６が直列に接続されている。一方、膨張タンク４３の吐出側部は、第８キャピラリチューブ３１を有する戻し配管２ｅにより圧縮機４の吸入側に接続されており、開閉弁３６の開弁状態で、第１気液分離器１２において分離されたガス冷媒を膨張タンク４３に供給することで、冷凍機Ｒの運転開始時に凝縮が不十分なガス冷媒により圧縮機４の吐出圧力の異常上昇を防ぐようにしている。

本発明の特徴として、上記分岐配管２ｃの下流側接続部及びクライオコイル３３の間の主冷媒配管２ａと、第１油分離器５及び水冷コンデンサ８の間の冷媒配管２との間には、圧縮機４から吐出された混合ガス冷媒を上記クライオコイル３３に供給するための第１デフロスト回路４５が接続され、この第１デフロスト回路４５には、電磁弁からなる第１開閉弁３７と第２油分離器４８とが第１油分離器５（水冷コンデンサ８）側からクライオコイル３３側に向かって順に接続されている。

また、上記逆止弁４０及び開閉弁３６の間の供給配管２ｄと、上記第２油分離器４８下流側の第１デフロスト回路４５とは、第１気液分離器１２で分離された後のガス冷媒を上記クライオコイル３３に供給するための第２デフロスト回路４６によって接続されている。この第２デフロスト回路４６には、電磁弁からなる第２開閉弁３８と逆止弁４１とが供給配管２ｄ側から第１デフロスト回路４５側に向かって順に直列に接続されている。

さらに、上記分岐配管２ｃの下流側接続部と第１デフロスト回路４５の接続部との間の冷媒配管２には開閉弁３９が接続されている。

そして、上記各開閉弁３５〜３９は制御部５１により開閉制御される。この制御部５１には、上記クライオコイル３３の温度をその直下流側の温度として検出する温度センサ５２の出力信号が入力されており、真空成膜装置Ａの真空チャンバ６０を真空状態にして基板に成膜する通常運転時には、開閉弁３７，３８の閉弁により第１及び第２デフロスト回路４５，４６を閉じかつ開閉弁３９の開弁により主冷媒配管２ａを開くことで、クライオコイル３３で低沸点冷媒を蒸発させ、真空チャンバ６０内の水分を冷却して凍結捕捉させる。一方、開閉扉６１を開いて真空チャンバ６０を大気に開放し基板に成膜を行わない状態のデフロスト運転時には、クライオコイル３３に捕捉された水分等を除去するために、開閉弁３９をそれまでの開弁状態から閉弁状態に切り換えた後、まず、第２開閉弁３８をそれまでの閉弁状態から開弁させることにより、上記第１気液分離器１２で分離された後のガス冷媒を、供給配管２ｄの一部と、第２デフロスト回路４６と、この第２デフロスト回路４６に接続されている第１デフロスト回路４５とを介してクライオコイル３３に供給することにより、そのクライオコイル３３を昇温させ、上記温度センサ５２により検出された温度（クライオコイル３３の温度）が設定温度（例えば−１００℃）に到達すると、上記第２開閉弁３８を閉じるとともに、第１開閉弁３７をそれまでの閉弁状態から開弁状態に切り換えることにより、圧縮機４から吐出されかつ第１油分離器５で冷凍機油を除去された混合ガス冷媒からさらに第２油分離器４８で冷凍機油を除去し、そのガス冷媒を第１デフロスト回路４５を経由してクライオコイル３３に供給する。これら第１気液分離器１２で分離された後のガス冷媒と、圧縮機４から吐出された混合ガス冷媒とをホットガスとして供給することで、クライオコイル３３での水分等の凍結を戻すようにしている。尚、上記第２油分離器４８で分離された冷凍機油は上記第１油分離器５からの冷凍機油と共に戻し管６を経て圧縮機４の吸入側に戻される。

尚、５４は第２デフロスト回路４６の接続部よりも下流側の第１デフロスト回路４５に接続された閉鎖弁、５５は冷媒回路１内に混合冷媒を供給するための充填用配管で、常時は閉鎖弁５６により封止されている。また、図１（後述する実施形態２の図４も同様）において、各開閉弁３５〜３９に対する制御部５１からの制御信号のラインは、記載の都合上分断して示し、その分断部分の接続形態を同じ符号Ａ〜Ｅで示している。例えば制御部５１と開閉弁３５との制御信号ラインは、制御部５１側の符号Ａ部分と開閉弁３５側の符号Ａ部分とによって接続されていることを表している。

次に、上記実施形態の作用について説明するに、真空成膜装置Ａの真空チャンバ６０内で基板を成膜するときには、超低温冷却装置Ｒが運転されて、真空チャンバ６０内部（又は連通路６２内部）の水分等が−１００℃以下の超低温レベルまで冷却されて凍結され、真空チャンバ６０内が真空状態にされる。この超低温冷却装置Ｒの運転時、第１及び第２開閉弁３７，３８の閉弁により第１及び第２デフロスト回路４５，４６が閉じられかつ開閉弁３９の開弁により主冷媒配管２ａが開かれる。このことで、圧縮機４から吐出された混合冷媒は、第１油分離器５で冷凍機油を除去されかつ水冷コンデンサ８により冷却された後に補助コンデンサ１０で圧縮機４へ戻る２次側の冷媒により冷却され、混合冷媒のうち沸点温度が最高温度のガス冷媒が凝縮されて液化する。この冷媒は第１気液分離器１２においてガス冷媒と液冷媒とに分離され、液冷媒は第１キャピラリチューブ２４で減圧された後に第１熱交換器１８の２次側で蒸発し、この蒸発熱により第１気液分離器１２からのガス冷媒が冷却され、混合冷媒のうち沸点温度が２番目に高い温度のガス冷媒を凝縮されて液化する。以後、同様にして、第２〜第４熱交換器１９〜２１でそれぞれ混合冷媒のうちの沸点温度が高い温度から順にガス冷媒が凝縮されて液化し、この第４熱交換器２１では沸点温度が最も低いガス冷媒が凝縮されて液化する。

上記第４熱交換器２１の１次側から吐出された冷媒は気液混合状態となり、この気液混合の冷媒は、サブクーラ２２の１次側２２ａを通過した後に主冷媒配管２ａと副冷媒配管２ｂとの２つの経路に分離される。そして、副冷媒配管２ｂに流れた冷媒は第５キャピラリチューブ２８で減圧された後にサブクーラ２２の２次側２２ｂに供給されて蒸発し、この蒸発熱により上記第４熱交換器２１からサブクーラ２２の１次側２２ａに供給された気液混合状態の冷媒がさらに冷却されて液冷媒の量が増加する。

また、サブクーラ２２の１次側２２ａから吐出された後に主冷媒配管２ａに流れる気液混合状態の冷媒の残部は第６キャピラリチューブ２９又は第６及び第７キャピラリチューブ２９，３０の双方で減圧され、その減圧後にクライオコイル３３において蒸発して真空チャンバ６０内の水分に例えば−１００℃以下の寒冷を付与する。この−１００℃以下の温度の寒冷により真空チャンバ６０内の水分が捕捉され、真空チャンバ６０内の真空レベルが上昇する。

そして、真空成膜装置Ａの真空チャンバ６０を大気に開放して基板の成膜を行わない状態のデフロスト運転時には、開閉弁３９の閉弁により主冷媒配管２ａが閉じて冷媒回路１との冷媒の流通が遮断される。その状態で、まず、第２開閉弁３８がそれまでの閉弁状態から開弁状態に切り換わる。このことにより、第１気液分離器１２で分離された後のガス冷媒が、供給配管２ｄの一部と、第２デフロスト回路４６と、この第２デフロスト回路４６の下流端が接続されている第１デフロスト回路４５の一部とを介してクライオコイル３３に供給される。このガス冷媒は高温（例えば０℃）のガスであるので、その供給によってクライオコイル３３が昇温する。このようなクライオコイル３３の昇温に伴い、その温度を温度センサ５２が下流側の温度として検出し、その温度センサ５２の検出値が所定温度に上昇すると、上記第２開閉弁３８が閉じられて元に戻り、第１気液分離器１２で分離された後のガス冷媒のクライオコイル３３への供給が停止する。

引き続いて同時に、今度は、第１開閉弁３７がそれまでの閉弁状態から開弁状態に切り換えられる。このことにより、圧縮機４から吐出された混合ガス冷媒が第２油分離器４８で冷凍機油をさらに除去された後に第１デフロスト回路４５を経由してクライオコイル３３に供給される。この圧縮機４からのガス冷媒も高温のホットガスであるので、その供給によってクライオコイル３３が昇温する。以上の、第１気液分離器１２で分離された後のガス冷媒と、圧縮機４から吐出された混合ガス冷媒との供給により、クライオコイル３３での水分等の凍結が解除される。以上でデフロスト運転が終了し、その後は上記成膜のための運転に戻り、再度真空チャンバ６０内が真空状態にされる。

したがって、この実施形態においては、デフロスト時に、最初に第１気液分離器１２で分離された後のガス冷媒が第２デフロスト回路４６及び第１デフロスト回路４５によりクライオコイル３３に供給され、次いで、圧縮機４からの吐出ガス冷媒が第１デフロスト回路４５によりクライオコイル３３に供給される。最初に供給される、第１気液分離器１２で分離されたガス冷媒は、２番目に供給される、圧縮機４からの吐出冷媒に比べて、混合冷媒のうちで高沸点冷媒の混合比率（高沸点冷媒濃度）が低く、この高沸点冷媒濃度の低いガス冷媒がデフロスト運転の初期に、未だ例えば−１００℃以下の超低温レベルにあるクライオコイル３３に直接供給されるため、クライオコイル３３が超低温レベルにあっても、そのクライオコイル３３で冷媒の凝固は抑えられる。よって、液冷媒の流量が多い大型のクライオコイル３３であっても、そのデフロスト運転の安定化やその時間の短縮化を図ることができる。

（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２を示し（尚、図１と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する）、上記実施形態１では、第１気液分離器１２で分離されたガス冷媒が第２開閉弁３８の開弁により第２デフロスト回路４６を介してクライオコイル３３に供給される状態から、圧縮機４の吐出冷媒が第１開閉弁３７の開弁により第１デフロスト回路４５を経てクライオコイル３３に供給される状態への切換えを、クライオコイル３３の温度に基づいているのに対し、クライオコイル３３の圧力に基づいて行うようにしたものである。

すなわち、この実施形態では、クライオコイル３３の圧力をその直下流側の圧力として検出する圧力センサ５３の出力信号が制御部５１に入力されており、この圧力センサ５３により検出された圧力（クライオコイル３３の圧力）が設定圧力に上昇すると、第２開閉弁３８を閉じるとともに、第１開閉弁３７をそれまでの閉弁状態から開弁状態に切り換えるようにしている。

その他の構成は上記実施形態１と同様であり、この実施形態でも実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。

（その他の実施形態）
尚、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、種々の他の実施形態を包含している。例えば、上記各実施形態では、第１気液分離器１２で分離されたガス冷媒が第２開閉弁３８の開弁により第２デフロスト回路４６を介してクライオコイル３３に供給される状態から、圧縮機４の吐出冷媒が第１開閉弁３７の開弁により第１デフロスト回路４５を経てクライオコイル３３に供給される状態への切換えを、クライオコイル３３下流の温度又は圧力に基づいて行っているが、制御部５１内蔵のタイマ等によりデフロスト運転開始からの時間をカウントし、その経過時間が所定時間に達すると、第２開閉弁３８を閉じかつ第１開閉弁３７を開くようにしてもよく、温度センサ５２や圧力センサ５３が不要になる利点がある。

また、上記各実施形態では、デフロスト運転の開始時には第２開閉弁３８のみを開いて第１開閉弁３７を閉じておき、クライオコイル３３下流の温度や圧力が設定値になるか、所定時間が経過したときに、第２開閉弁３８を閉じて第１開閉弁３７のみを開くようにしているが、第１開閉弁３７はデフロスト運転の開始から終了まで開弁しておき、第２開閉弁３８のみをデフロスト運転の途中で閉じるようにすることもできる。

さらに、上記各実施形態では、デフロスト運転時に、第１気液分離器１２で分離されたガス冷媒をクライオコイル３３に供給するようにしているが、この第１気液分離器１２以外の第２〜第４気液分離器１３〜１５で分離されたガス冷媒をクライオコイル３３に供給するようにしてもよい。或いは、デフロスト運転時に、４つの第１〜第４気液分離器１２〜１５でそれぞれ分離された複数種類のガス冷媒を１つずつ又は複数まとめて順に切り換えながらクライオコイル３３に供給するようにすることもでき、クライオコイル３３に対するデフロストの要求に応じて適宜選択することができる。

また、上記クライオコイル３３を真空チャンバ６０内に配置して、そのクライオコイル３３により真空チャンバ６０内の水分等を直接冷却するようにしているが、クライオコイル３３に代えてブラインクーラ（放熱部）を設け、このブラインクーラを真空チャンバ６０内に位置する吸熱部とブライン回路により接続し、このブラインクーラにおいてブライン回路内のブラインを超低温レベルに冷却して、そのブラインにより真空チャンバ６０内の吸熱部に同温度レベルの寒冷を付与するようにしてもよい。

また、上記コンデンサ８，１０、熱交換器１８〜２１及びサブクーラ２２は、２重管構造のもの、プレート構造のもの、シェルアンドチューブ構造のもののいずれを用いてもよい。また、キャピラリチューブ２４〜３１の代わりに他の減圧手段、例えば膨張弁等を用いることもできる。

本発明は、混合冷媒を用いるカスケード式超低温冷凍装置に対し、そのデフロスト運転時に、−１００℃以下の超低温レベルにある冷却器で冷媒の凝固を効果的に抑え、大型の冷却器であっても、そのデフロスト運転の安定化やその時間の短縮化を図ることができるので、極めて有用で産業上の利用可能性は高い。

図１は、本発明の実施形態１に係る超低温冷凍装置の全体構成を示す図である。図２は、真空成膜装置のレイアウトを概略的に示す平面図である。図３は、真空成膜装置の他のレイアウトを概略的に示す平面図である。図４は、本発明の実施形態２を示す図１相当図である。

Ａ真空成膜装置
Ｒ超低温冷却装置
１冷媒回路
２冷媒配管
４圧縮機
８水冷コンデンサ（凝縮器）
１０補助コンデンサ（凝縮器）
１２〜１５気液分離器
１８〜２１カスケード熱交換器
２２サブクーラ
２４〜３０キャピラリチューブ（減圧手段）
３３クライオコイル（冷却器）
３７第１開閉弁
３８第２開閉弁
４５第１デフロスト回路
４６第２デフロスト回路
５１制御部（制御手段）
５２温度センサ
５３圧力センサ
６０真空チャンバ

Claims

沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機から吐出された混合冷媒を冷却してそのうちの高沸点冷媒を凝縮する凝縮器と、
上記凝縮器から吐出された一部液化された混合冷媒を高沸点冷媒から低沸点冷媒へ順に液冷媒及びガス冷媒に分離する複数段の気液分離器と、
上記各気液分離器で分離された１次側のガス冷媒を、該各気液分離器で分離されかつ減圧された２次側の液冷媒との間で熱交換させて冷却する複数段のカスケード熱交換器と、
上記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器から吐出された低沸点冷媒を蒸発させて冷却対象を超低温レベルに冷却する冷却器と、
上記冷却器のデフロスト時に、上記圧縮機から吐出された混合冷媒を上記冷却器に供給する第１デフロスト回路と、
上記冷却器のデフロスト時の初期に、上記気液分離器で分離された後のガス冷媒を上記冷却器に供給する第２デフロスト回路とを備え、
上記第２デフロスト回路は、下流端が第１デフロスト回路に接続されていて、該第１デフロスト回路を介してガス冷媒を冷却器に供給するように構成され、
上記第２デフロスト回路の下流端合流部よりも上流側の第１デフロスト回路に第１開閉弁が配置されている一方、上記第２デフロスト回路に第２開閉弁が配置され、
上記第１及び第２開閉弁を開閉制御する制御手段を備え、
上記制御手段は、第２開閉弁の開弁期間を、デフロストの開始から所定の時間が経過するまでの間、デフロストの開始から冷却器の温度が所定温度に上昇するまでの間、又はデフロストの開始から冷却器の圧力が所定圧力に上昇するまでの間のいずれかに制御する一方、第１開閉弁の開弁期間を、上記第２開閉弁が閉じてからデフロストの終了までの間、又はデフロストの開始から終了までの間のいずれかに制御するように構成されていることを特徴とする超低温冷却装置。
沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮する圧縮機と、
上記圧縮機から吐出された混合冷媒を冷却してそのうちの高沸点冷媒を凝縮する凝縮器と、
上記凝縮器から吐出され一部液化された混合冷媒を高沸点冷媒から低沸点冷媒へ順に液冷媒及びガス冷媒に分離する複数段の気液分離器と、
上記各気液分離器で分離された１次側のガス冷媒を、該各気液分離器で分離されかつ減圧された２次側の液冷媒との間で熱交換させて冷却する複数段のカスケード熱交換器と、
上記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器から吐出された低沸点冷媒が流れる１次側と、該１次側から吐出されかつ過冷却用減圧手段により減圧された低沸点冷媒が流れる２次側とを有し、上記１次側の低沸点冷媒を２次側の低沸点冷媒との熱交換により冷却する過冷却器と、
上記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器から吐出された低沸点冷媒を蒸発させて冷却対象を超低温レベルに冷却する冷却器と、
上記冷却器のデフロスト時に、上記圧縮機から吐出された混合冷媒を上記冷却器に供給する第１デフロスト回路と、
上記冷却器のデフロスト時の初期に、上記気液分離器で分離された後のガス冷媒を上記冷却器に供給する第２デフロスト回路とを備え、
上記第２デフロスト回路は、下流端が第１デフロスト回路に接続されていて、該第１デフロスト回路を介してガス冷媒を冷却器に供給するように構成され、
上記第２デフロスト回路の下流端合流部よりも上流側の第１デフロスト回路に第１開閉弁が配置されている一方、上記第２デフロスト回路に第２開閉弁が配置され、
上記第１及び第２開閉弁を開閉制御する制御手段を備え、
上記制御手段は、第２開閉弁の開弁期間を、デフロストの開始から所定の時間が経過するまでの間、デフロストの開始から冷却器の温度が所定温度に上昇するまでの間、又はデフロストの開始から冷却器の圧力が所定圧力に上昇するまでの間のいずれかに制御する一方、第１開閉弁の開弁期間を、上記第２開閉弁が閉じてからデフロストの終了までの間、又はデフロストの開始から終了までの間のいずれかに制御するように構成されていることを特徴とする超低温冷却装置。
請求項１又は２の超低温冷却装置において、
冷却器により真空チャンバ内の水分を冷却により凍結させるように構成されていることを特徴とする超低温冷却装置。