JP5594597B2

JP5594597B2 - 冷却装置

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Publication number: JP5594597B2
Application number: JP2010527739A
Authority: JP
Inventors: スコットディッキー; 健鈴木; 清人信夫
Original assignee: Rasco Co Ltd
Current assignee: Rasco Co Ltd
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2009-07-21
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2029-07-21
Also published as: WO2010026840A1; JPWO2010026840A1; CN101960239A; CN101960239B; KR101259858B1; US20100051253A1; KR20100101636A

Description

本発明は、冷却装置に関し、特に、半導体製造装置における冷却水を冷却する冷却装置に用いて好適な冷却装置に関する。

半導体製造など、多くの工業的利用において、製造工程で使用される部材または処理ツール（冷却対象装置）を冷却するため、液体を部材または装置に循環させる熱交換装置（冷却装置）が利用される。そのような液体の例としては、ＧＡＬＤＥＮおよびＦＬＵＯＲＩＮＥＲＴの商標で販売される液体が挙げられる。これらの液体は、システム稼働時には、１００℃を大きく上回る温度に達する。

一般に、このような冷却用の高温液体は、該高温液体が供給される貯留槽に冷却水が通流される螺旋パイプを配設した、いわゆる液−液熱交換器を用いて所要温度にまで冷却され、冷却された高温液体が、循環ポンプにより冷却対象装置に循環され、再利用される。しかしながら、このような特に冷却水を用いる熱交換システムには問題点もある。たとえば、冷却水の温度および流量によっては、冷却水が沸騰し、装置に振動を生じさせたり、スケールを沈積させたりすることがある。振動は、最終的に、パイプに亀裂を生じさせるなど、構造崩壊を引き越し、スケールの沈積は、流量を低下させ、ひいてはシステム全体の熱伝達効率を低下させる。構造的破壊は、さらに２液間での液漏れにつながる可能性があり、これにより引き起こされる冷却水の瞬間的な気化は、爆発などの潜在的な危険性をはらんでいる。このような問題点は、Jonas Lindvall およびMarcus Minkkinenによる「Fracture Mechanics For a Plate Hert Exchanger Gasket（プレート式熱交換器のガスケットのための破壊力学）」（Report TVSM-5125,77 pages, First published May, 2004.）と題した論文にも掲載されている。

本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、装置の構造崩壊を回避でき安全で、またスケールの沈積を防止でき、熱伝達効率の低下を生じさせない冷却装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係る冷却装置は、冷却対象装置に供給されて１００℃以上に昇温された冷却液たる第１液体を所要温度にまで冷却し、前記冷却対象装置に送る冷却装置であって、外部空気導入口、および内部の空気の一部を外部に排出可能な排出口を有するケーシングと、前記ケーシング内に配置され、前記冷却すべき高温の第１液体が通流される第１熱交換器と、前記ケーシング内に、前記第１熱交換器と所要間隔をおいて配置され、第１液体と異なる液体であって、第１液体よりも低い温度の第２液体たる水が通流される第２熱交換器と、前記ケーシング内に配置され、空気を、前記第１熱交換器および第２熱交換器にこの順に通過させてケーシング内で循環させるファンとを具備し、前記第１熱交換器により前記第１液体が前記所要温度にまで冷却され、該第１熱交換器を通過して昇温された空気が前記第２熱交換器を通過することにより、該空気と第２液体たる水との間で熱交換され、該空気が冷却されると共に、第２液体たる水が沸騰しない温度にまで昇温されることを特徴とする。

本発明に付随する特徴の多くは、上記および以下の説明の参照、および添付図面を用いた考察を通してより深く理解されることで、より簡単かつ十分に理解されるであろう。なお、添付の図面において、全体を通して同一の部材には同一の符号を付す。

本発明によれば、上記の構成により、基本的に、ケーシング内で空気を循環させて、熱交換を行う（第１液体の冷却、空気の冷却）とともに、ケーシングに外部空気導入口と、内部の空気の一部を外部に排出する排出口を設けることによって、ケーシング内で空気が循環されることによるケーシング内の温度が過上昇するのを防止できる。また、第２液体たる水を沸騰させることがないので、装置の構造崩壊を回避でき安全で、またスケールの沈積を防止でき、熱伝達効率の低下を生じさせない冷却装置を提供できる。

熱交換装置の概略図である。熱交換装置と冷却対象物との関係を示す概略図である。熱交換システムの動作を示す制御フロー図である。熱交換装置の他の実施の形態を示す概略図である。

以下本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１は熱交換器１０の概略図である。熱交換装置１０は、高温熱媒体流体（第１液体）を効率的に冷却する液体−空気熱交換器（第１熱交換器１２）を備える。熱交換システムは、高温熱媒体流体（第１液体）を含む第１熱交換器１２にファン１４により空気を流す。空気が第１熱交換器１２を通過することにより、第１液体が所要温度にまで冷却される。熱が空気へ移動することにより、空気は例えば２００℃を超える極めて高温に加熱される。加熱された空気は、水等の第２液体を含む第２熱交換器１６に流れ、それにより、熱を水等の第２液体へ伝達する。空気は比熱が小さいので、第２液体はそれほど温度が上昇せず、沸騰して装置を振動させたり、パイプに亀裂を生じさせ、急激に気化して装置を爆発させたり、スケールを沈積させて熱伝達効率を低下させるようなことがない。第２液体と熱交換して安全な所要温度にまで冷却された空気は、循環使用される。
所要温度にまで冷却された第１液体は、半導体製造装置等の冷却対象物の冷却水として循環使用される。

ファン１４と、第１熱交換器１２と、第２熱交換器１６はダクト１８内に所要間隔をおいてこの順に配置されている。コントローラ（制御部）２０はファン１４の駆動部に接続され、ファン１４の回転速度を監視・調節する。本実施形態では、第１熱交換器１２で冷却された第１液体の温度を検出する温度センサ２２が設けられ、温度センサ２２によって検出された温度はコントローラ２０に入力される。コントローラ２０は、温度センサ２２によって検出される第１液体の温度を監視し、ＰＩＤ制御によって、ファン１４の回転速度を調節する。すなわち、第１液体の温度が設定温度（例えば１７０℃）よりも高ければ、ファン１４の回転速度が大きくなるように制御して第１熱交換器１２での熱交換効率を高め、設定温度よりも低ければ、ファン１４の回転速度を低くする。この処理により、第１液体が所望の温度で熱交換システムから出ることが可能となる。

第１熱交換器１２は、空気流の均一で一様な流れを確保するため、ファン１４から十分な距離をおいて配置される。ファン１４は、例えば、第１熱交換器１２から約１５０ｍｍのところに配置される。第１熱交換器１２には、ポンプ（図示せず）、パイプ２３、バルブ（図示せず）およびその他の流体流通部材を介して、高温の第１液体（冷却液）、例えば、ＧＡＬＤＥＮ（商標）が供給される。一例として、第１液体の温度は、約１２０〜２００℃である。本実施形態において、第１液体は、１または複数の螺旋形状パイプ内を螺旋を描きながら流れる。ファン１４からの空気が、螺旋パイプ、つまり第１熱交換器１２のフィンやプレートを通過すると、第１液体の熱は空気へと移動する。本実施形態では、伝熱速度は約２０ｋｗである。第１液体の温度が２００℃の場合、空気の温度は約２００℃に達する。第１液体は約１９０℃に冷却され、第１熱交換器１２から排出される。冷却された第１液体は貯留タンク２４に貯留され、ポンプ２５によって半導体製造装置等の冷却対象物へ供給され、循環使用される。

第１熱交換器１２に流入される第１液体の温度は設定温度より高い。たとえば、第１液体が設定温度である１７０℃で第１熱交換器１２から半導体製造装置（冷却対象物）に供給され、半導体製造装置内で２０ｋｗの熱負荷を受けた場合、第１液体は約１７９．５℃で第１熱交換器１２へと戻る（流量を１５ＧＰＭ（gallon/min）と仮定）。このように、半導体製造装置で冷却水として利用され、第１熱交換器１２へと戻る第１液体の温度は当然ながら設定温度よりも高い。ファン１４は、第１熱交換器１２内を可変冷却するために利用され、第１液体が設定温度で第１熱交換器１２を出ることができるようにする。

第２熱交換器１６は、第１熱交換器１２から約１００ｍｍ離れたところに配置される。容易に入手可能な、製造施設からの水などの冷却液が第２液体として第２熱交換器１６に供給される。第２液体の温度は、一例として約１５〜２５℃であり、第１液体の温度よりは十分に低い。第１熱交換器１２と同様、第２熱交換器１６への第２液体の供給を確保するために、パイプ２６、バルブ２７、その他の流体流通部材が配備される。本実施形態において、第２液体は、１または複数の螺旋形状パイプ内を、螺旋を描きながら流れる。加熱された空気が第２熱交換器１６を通過すると、熱は液体を加熱する第２熱交換器１６内の第２液体へと伝達される。システムを流出する空気は冷却されているので、安全に放出することができる。すなわち、高温での空気排出に対応するための、特別な空気流システムまたは部材を必要としない。空気から第２液体への伝熱速度は約２０ｋｗである。このとき、第２液体は約４０℃にまで加熱され、空気の温度は約３０℃に低下する。加熱された水は、その後適宜施設へ戻され、そこで、冷却され、製造施設のさまざまな箇所へと再循環される。前記のように、第２液体（水）は沸騰することがなく、パイプ等の破壊が防止され、またスケールの沈積を防止でき、熱伝達効率も損なわれることがない。
なお、２８は逆止弁である。

図２は、熱交換装置１０と半導体製造装置等の冷却対象装置３０との関係の一例を示す。
冷却対象装置３０は、上述したように、約２０ｋｗの熱負荷を印加される。熱負荷は、半導体製造装置の場合、一般的に、蒸着などの製膜処理のために、半導体基板を所望温度に保つために、半導体基板を載置するヒーター板における電熱器やマイクロ波加熱器などの加熱装置によって印加される。ヒーター板の温度は、処理中にゆっくりと上昇する傾向がある。上記の熱交換システム（熱交換装置）がなければ、その温度の上昇は放置され、それにより半導体製造装置を損傷する可能性があり、結果として半導体処理の停止を引き起こす。そのような処理の停止は、製造効率の低下を招き、極めて大きな痛手となりうる。

熱負荷は変化する場合もある。熱負荷は、例えば、半導体処理のさまざまな段階または工程において、０〜２０ｋｗ等の間で変化してもよい。例えば、半導体製造装置が使用されていない、例えば、洗浄中または他の基板の待機中である場合、ゼロまたはゼロに近い熱負荷を与えて、ツールを冷ますこともある。従来の、典型的な液体から液体への熱交換器の場合には、例えば２００℃の第１液体を第２液体たる水で冷却する場合には、水が沸騰する可能性があるので、たとえ熱負荷がゼロであっても、水を常に流しておかなければならない。水は、常にポンプでくみ上げられ、パイプ内にスケールが沈積しないように、また熱交換器内で危険な液圧が発生しないように循環される。このように一定の流れを確保するためにポンプまたは同様の機材を使用し続けることは、電力を無駄に消費し、システムの部材を無駄に消耗し続けることとなる。

さらにまた、半導体処理が進むにつれ、処理ツールの熱は、半導体基板の処理が行えるように上昇する。例えば、電熱器やマイクロ波加熱器によってさらに熱を加え、半導体基板を最適温度に設定する。この作業は、処理ツールを冷却し続ける、従来の熱交換器、例えば、液体から液体への熱交換器の場合には、冷却される分だけ加熱器から補給しなければならないので、無駄なエネルギーを消費する。また、従来の熱交換器では上記のような特性（処理ツールを冷却し続ける）を有するために、半導体基板を最適温度に設定するのにさらなる処理時間が費やされ、それにより、全体の半導体処理時間に悪影響を与える。
この点、本実施の形態における、ファン１４および液体−気体熱交換器１２、１６による熱交換の場合には上記のような悪影響を受けることはない。例えば、ファン１４は、第１熱交換器１２に流れる加熱された第１液体のゼロ冷却を実行するために停止、またはほぼ停止されてもよい。この場合、第２熱交換器１６側も、空気を冷却する必要がないので停止されてもよい。

ファン１４や、第１熱交換器１２、第２熱交換器１６についてさらに説明する。
ファン１４は、特に限定されないが毎分約８ｍ³の風量を発生する能力のあるものが好適である。ファン１４は、要望に応じて回転速度を上げたり下げたりするために、コントローラ２０によって制御可能な、可変速送風機である。空気はファン１４に導入される前、または、ファン１４から出る前に冷却することも可能である。コントローラ２０の例としては、閉ループＰＩＤコントロールが挙げられる。温度センサ２２の例としては、１００ΩＰｔＲＴＤが挙げられる。

第１熱交換器１２は、２５０℃の温度にも耐えられるように設計され、また２０ｋｗの伝熱速度で熱を伝達することが可能となっている。なお、より低い、あるいはより高い伝熱速度に対処するために、上記と異なる尺度でシステムを設計してもよいことはもちろんである。
一般に、液体−空気熱交換システムは大型になるとされているが、これは誤解である。この誤解が、小型で特有の効率的な伝熱性を有するという理由から、当業者をして、液体−液体熱交換システムの利用へと導くことになる。
空気と、加熱された第１液体との間の温度差が、例えば１２０〜１６０℃程度の十分に大きな温度差があれば、第１熱交換器１２における熱交換効率がよく、したがって、装置も小型のものでもよい。しかし、上記温度差分が９０℃未満であれば、第１熱交換器１２において、加熱された第１液体の温度を所望の設定温度に下げられるほど効率がよくないこともある。

図３は、熱交換システムの動作を示す制御フロー図である。ステップ５１において、温度センサ２２により第１液体の温度が測定される。測定された温度が、高温度閾値を上回る場合（ステップ５２）、ファン１４の回転速度を上げる（ステップ５３）。一方、測定された温度が低温度閾値を下回る場合（ステップ５４）、ファン１４の回転速度を下げる（ステップ５５）。これにより、ファン１４の消費電力およびファン１４の消耗を低減することができ、また、第１液体が所望の温度（設定温度）に維持される。本実施形態では、測定された温度が、極めて高い温度閾値を上回る場合（ステップ５７）、欠陥状体と判定される。このような欠陥状体は、液体が十分に冷却されていないなど、システムが適切に動作していないことを示す。このような場合には、例えば、欠陥状体が解除されるまで、第１熱交換器１２への第１液体の流入および／または第１熱交換器１２からの第１液体の流出を抑制するため、１または複数のバルブを作動させてもよい。また、性能の向上、潜在的な欠陥の早期同定、または二重安全処理のために、さらなるセンサや制御部を利用して、ファン１４、熱交換器１２、１６およびシステム内で使用されるその他の構成部材の動作を監視することが可能である。

コントローラ（制御部）２０は、冷却能力を調節するため、可変速ファン１４へ比例出力を与える。第１熱交換器１２から出る空気は極めて高温で、その温度での排出は困難である。そのため、空気は、第２液体（施設冷却水等）により冷却された第２熱交換器１６へ搬送される。結果として、熱交換装置１０から搬出され得る、もしくは、該熱交換装置１０内で循環され得る、ほぼ室温の空気が得られる。第１液体（半導体製造装置等の冷却水）とエア・ギャップを有する第２液体（工場冷却水等）とを分離し、可変空気流を利用して温度を調節することにより、熱交換システムの性能、安全性および寿命の向上を図ることができるのである。

図４は熱交換装置１０の他の実施形態を示す概略図である。図１に示すものと同一の部材は同一符号を付し、説明は省略する。
本実施の形態では、ダクト１８内に、空気流の上流側から、第１熱交換器１２、第２熱交換器１６、ファン１４をこの順に配設している点が図１に示す実施の形態と相違している。
図１の実施の形態の場合、通常運転の場合には問題がない。しかし、上記のように、温度センサ２２による検出温度が極めて高い閾値を超えて欠陥状態と判定され、装置１０が緊急停止されるような場合がある。この場合、高温の第１液体が通流される第１熱交換器１２の直近上流にファン１４が配置されていると、第１熱交換器１２における高温の熱がダクト１８等を伝ってファン１４に伝達され、ファン１４が樹脂製などの場合にファン１４を損傷するおそれがある。この点、ファン１４を、低温の第２液体が通流される第２熱交換器１６の下流側に配置することで、ファン１４が熱によって損傷される不具合を解消できる。

また、図４に示す実施の形態の場合、第１熱交換器１２、第２熱交換器１６、ファン１４、貯留タンク２４、ポンプ２５等がケーシング３２内に配置され、第２熱交換器１６を出て冷却された空気がケーシング３２内で循環されて利用されるようになっている。
そして、本実施の形態の場合、ケーシング３２に外部空気導入口３３を設け、また、ケーシング３２内の空気の一部を外部に排出可能な排出口３４、３５を設けている。さらに、排出口３５には小さなファン３６を設けている。
ケーシング３２を密閉型にしておくと、循環される空気の温度が次第に上昇する場合がある。この点、上記のように、外部空気導入口３３を設けて外部空気の一部をケーシング３２内に取り入れ可能にし、ケーシング３２内の空気の一部を排出口３４、３５から排出するようにすることで、ケーシング３２内の空気の温度を一定になるように制御することができ、熱交換を精度よく行うことができる。

なお、図４において、３７、３８は安全弁であり、貯留タンク２４内の圧力を一定範囲内に保つようにする。
３９、ＬＬは液面センサであり、貯留タンク２４内の第１液体の液面の高さを検出可能になっていて、液面の高さが所定値以下となって場合に警報を発する。
４０、４２は圧力計である。
また、４３、４４はドレンタンクである。

半導体製造のための熱交換システムを提供する。特定の態様において本発明を説明したが、さらなる多くの改良や変更が当業者であれば明かであろう。従って、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、さまざまなサイズ、形状および材料の変更を含め、ここに具体的に示されたものとは別の方法で実施可能であることが理解されるであろう。そのため、本発明の実施形態は、そのすべての態様において、例示的なものであって、限定的なものではない。

１０熱交換装置
１２第１熱交換器
１４ファン
１６第２熱交換器
１８ダクト
２０コントローラ（制御部）
２２温度センサ
２３パイプ
２４貯留タンク
２５ポンプ
２６パイプ
２７バルブ
２８逆止弁
３０冷却対象物
３２ケーシング
３３外部空気導入口
３４、３５排出口
３７、３８安全弁
３９液面センサ
４０、４２圧力計
４３、４４ドレンタンク

Claims

冷却対象装置に供給されて１００℃以上に昇温された冷却液たる第１液体を所要温度にまで冷却し、前記冷却対象装置に送る冷却装置であって、
外部空気導入口、および内部の空気の一部を外部に排出可能な排出口を有するケーシングと、
前記ケーシング内に配置され、前記冷却すべき高温の第１液体が通流される第１熱交換器と、
前記ケーシング内に、前記第１熱交換器と所要間隔をおいて配置され、第１液体と異なる液体であって、第１液体よりも低い温度の第２液体たる水が通流される第２熱交換器と、
前記ケーシング内に配置され、空気を、前記第１熱交換器および第２熱交換器にこの順に通過させてケーシング内で循環させるファンとを具備し、
前記第１熱交換器により前記第１液体が前記所要温度にまで冷却され、
該第１熱交換器を通過して昇温された空気が前記第２熱交換器を通過することにより、該空気と第２液体たる水との間で熱交換され、該空気が冷却されると共に、第２液体たる水が沸騰しない温度にまで昇温されることを特徴とする冷却装置。
前記ファンを、空気流に対して前記第２熱交換器の下流側に配置したことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
前記第１熱交換器を通過して冷却された第１液体の温度を検出する温度センサと、
該温度センサにより検出された温度が、設定温度よりも高い場合には前記ファンの回転速度を上げ、設定温度よりも低い場合にはファンの回転速度を下げて第１液体の温度を設定温度となるように制御する制御部とを具備することを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
空気と、初期の第１液体との間の温度差が１２０〜１６０℃であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の冷却装置。
前記第１熱交換器を通過して冷却された第１液体を、冷却対象装置に循環させるための循環ポンプを有することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の冷却装置。
前記第１熱交換器を通過して冷却された第１液体を貯留する貯留タンクを有することを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
前記冷却対象装置が、半導体製造装置であることを特徴とする請求項５または６記載の熱交換装置。