JP6649464B2 - 発電システム、管理装置および基板処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、発電システム、管理装置および基板処理装置に関する。
近年、環境変動や気候変動等の問題により、半導体製造工場においても環境負荷の低減が求められており、省エネルギー対策が進められている。このため、例えば、半導体製造装置の反応容器の周囲に蒸気発生ユニットを設けることで、反応容器からの排熱を利用して発電等を行い、省エネルギー化を図ることが考えられている（例えば特許文献１参照）。
しかしながら、従来の技術では、十分な発電出力を得られないことがあり、発電効率が悪くなることがある。
本発明は、排熱を利用して高効率に発電することを目的とする。
本発明の一態様によれば、
複数の熱源にそれぞれ設置され、前記熱源を冷却する冷却媒体が流れる複数の冷却媒体路が接続された発電部に、前記複数の熱源を冷却した後の冷却媒体を流入して発電を行う技術であって、
前記発電部に流入する前記冷却媒体の温度が所定の温度以上となるように、前記複数の熱源を冷却した後のそれぞれの冷却媒体の温度に基づいて前記複数の冷却媒体路の各々に設置された開閉部をそれぞれ制御し、前記複数の冷却媒体路から前記発電部への前記冷却媒体の流入を制御する技術が提供される。
複数の熱源にそれぞれ設置され、前記熱源を冷却する冷却媒体が流れる複数の冷却媒体路が接続された発電部に、前記複数の熱源を冷却した後の冷却媒体を流入して発電を行う技術であって、
前記発電部に流入する前記冷却媒体の温度が所定の温度以上となるように、前記複数の熱源を冷却した後のそれぞれの冷却媒体の温度に基づいて前記複数の冷却媒体路の各々に設置された開閉部をそれぞれ制御し、前記複数の冷却媒体路から前記発電部への前記冷却媒体の流入を制御する技術が提供される。
本発明によれば、排熱を利用して高効率に発電することが可能となる。
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
（発電システムの構成）
本実施形態にかかる発電システム９０は、熱源を備える装置と設備とを結びつけるものであり、1つの家屋に全システムが設置される場合や、当該設備全体と連携を取る工場単位での利用が可能である。特に熱源を備える装置として熱処理装置である半導体製造装置等を用いる場合は、装置毎の稼働状況管理が確実に行われているため、本システムを用いることで、高効率での排熱利用が可能となる。以下、熱源を備える装置として熱処理装置を用いる例について説明する。
本実施形態にかかる発電システム９０は、熱源を備える装置と設備とを結びつけるものであり、1つの家屋に全システムが設置される場合や、当該設備全体と連携を取る工場単位での利用が可能である。特に熱源を備える装置として熱処理装置である半導体製造装置等を用いる場合は、装置毎の稼働状況管理が確実に行われているため、本システムを用いることで、高効率での排熱利用が可能となる。以下、熱源を備える装置として熱処理装置を用いる例について説明する。
図１に示すように、複数の熱処理装置１ａ１〜１ａｎに対して、それぞれの熱源を冷却する冷却媒体が流れる冷却媒体路２ａ１〜２ａｎがそれぞれに設置されている。冷却媒体は、冷却媒体路２ａ１〜２ａｎ内を通過する際に、熱処理装置１ａ１〜１ａｎの各熱源からの排熱を回収することで加熱される。ここでは、冷却媒体として冷却水を用いる。冷却媒体を排熱と称しても良い。各冷却媒体路２ａ１〜２ａｎは下流側にて一本に合流され、発電部３へ接続される。発電部３では、熱処理装置１ａ１〜１ａｎの各熱源を冷却した後の冷却媒体の熱を利用して発電が行われる。発電部３の詳細については後述する。また、発電部３に蓄電池を接続し、発電部３にて発電した電力を蓄電するように構成されても良い。
各冷却媒体路２ａ１〜２ａｎは、熱処理装置外において、上流側（熱処理装置側）から順に、温度検出部としての温度センサ６ａ１〜６ａｎと、流量検出部としての流量センサ５ａ１〜５ａｎと、開閉部としての制御バルブ４ａ１〜４ａｎとをそれぞれ備える。また、温度センサ６ａ１〜６ａｎの上流側にてバイパスライン７へと通じる分岐路８ａ１〜８ａｎがそれぞれの冷却媒体路２ａ１〜２ａｎに形成されている。分岐路８ａ１〜８ａｎとバイパスライン７との間には遮断バルブ１８ａ１〜１８ａｎが設けられている。遮断バルブ１８ａ１〜１８ａｎを適宜開閉することにより、冷却媒体を発電部３に流したり、バイパスライン７に流したり、状況に応じて冷却媒体の流路を変更することができる。バイパスライン７は、発電に用いられない（発電部３に流入されない）冷却媒体や、発電部３において発電に用いられた後の冷却媒体を排出する流路である。制御バルブ４ａ１〜４ａｎ、遮断バルブ１８ａ１〜１８ａｎおよび発電部３は後述するモニタサーバ９により制御される。
発電システム９０は、冷却媒体を蓄えるために冷却媒体を一時的に貯留する貯留部としてのタンク１０を備えるように構成しても良い。このような構成により、熱処理装置１ａ１〜１ａｎから発電部３に流入する冷却媒体の温度低下や流量不足が生じた場合に、タンク１０から冷却媒体を補充することができる。タンク１０内の冷却媒体の温度は温度センサ１２により検出される。また、タンク１０の上流側は制御バルブ４ａ１〜４ａｎの出力からの冷却媒体路が接続され、制御バルブ１１が設置されている。必要に応じて、制御バルブ１１を開とする事で、冷却媒体が制御バルブ１１を介してタンク１０に供給される。冷却媒体のタンク１０への供給が余剰な場合、制御バルブ１１を閉とする事も出来る。タンク１０には、タンク１０より排出された冷却媒体が再びタンク１０へ流入する循環路１４が接続されている。循環路１４の途中には制御バルブ１７と、循環部としてのポンプ１５が設置されている。ポンプ１５が停止した場合、制御バルブ１７を閉じることにより、冷却媒体の逆流を防止することができる。このような構成により、タンク１０内に貯留された冷却媒体を循環可能にしている。タンク１０内の冷却媒体がタンク１０の容量を超えない様に、制御バルブ１３を開いて発電部３に冷却媒体を供給しても良い。また、タンク１０から発電部３への供給が過剰となる場合は、制御バルブ１１、１３を閉とし、制御バルブ１７および排出バルブ１９を開とすることで、冷却媒体をバイパスライン７に逃がしても良い。また、タンク１０に加熱部としてのヒータ１６を設置することにより、タンク１０内の冷却媒体を所定の温度に維持するように構成されても良い。
（モニタサーバの構成）
続いて、上述の熱処理装置１ａ１〜１ａｎおよび発電部３とデータ交換可能なように構成され、発電の制御および監視を行うように構成された本実施形態に係る発電システム管理装置、すなわち上位管理装置としてのモニタサーバ９の構成について、図２を参照しながら説明する。
続いて、上述の熱処理装置１ａ１〜１ａｎおよび発電部３とデータ交換可能なように構成され、発電の制御および監視を行うように構成された本実施形態に係る発電システム管理装置、すなわち上位管理装置としてのモニタサーバ９の構成について、図２を参照しながら説明する。
モニタサーバ９は、中央処理装置（ＣＰＵ）として構成された制御部２０と、内部に共有メモリ領域２１を有するメモリ（図示は省略）と、ＨＤＤなどの記憶装置として構成された格納手段としてのデータ保持部（格納部）２２と、ディスプレイ装置などの表示手段として構成されるデータ表示部２３と、キーボード等の入力手段２４と、通信手段としての通信制御部（通信部）２５と、を有するコンピュータとして構成されている。上述のメモリ、データ保持部２２、データ表示部２３、入力手段２４、通信制御部２５は、内部バス等を介して制御部２０とデータ交換可能なように構成されている。また、制御部２０は、図示しない時計機能を有している。
データ保持部（格納部）２２には、発電制御プログラム等のモニタサーバ９内で実行されるプログラムが記憶されている。そして、発電制御プログラムがデータ保持部２２から読み出され、制御部２０で実行されることにより後述する設定手段２６、判定手段２７、実行手段２８等の各種機能が実現される。
通信手段としての通信制御部２５は、熱処理装置用コントローラ（制御部２８０）、制御バルブ４ａ１〜４ａｎ、流量センサ５ａ１〜５ａｎ、温度センサ６ａ１〜６ａｎおよび発電部３の制御部２９に接続されている。通信制御部２５は、熱処理装置１ａ１〜１ａｎ、流量センサ５ａ１〜５ａｎ、温度センサ６ａ１〜６ａｎおよび発電部３からモニタデータを受信し、共有メモリ２１に渡すように構成されている。
制御部２０は、共有メモリ２１から読み出したモニタデータを、モニタデータの発生源である熱処理装置１ａ１〜１ａｎおよびその下流の冷却媒体路２ａ１〜２ａｎを特定するＩＤ、モニタデータ生成時刻、経過時間等と関連付けてデータベース化し、読み出し可能にデータ保持部２２に渡し、記憶させるように構成されている。また、制御部２０は、データ保持部２２に記憶させるモニタデータをＩＤ、及び経過時間等と併せてデータ表示部２３に渡し、データ表示部２３に表示させるように構成されている。
また、本実施の形態においては、制御部２０は、入力手段２４から入力されるＩＤ、モニタデータ生成時刻、経過時間等の検索条件に基づいてデータ保持部２２を検索し、検索条件に該当するモニタデータをデータ保持部２２から読み出して、データ表示部２３に表示させるように構成されている。
（設定手段）
また、制御部２０が備える設定手段２６は、発電状態の判定対象となるデータ種別、データ種別に対応しモニタデータから指定されるデータ値が発電状態の判定に係る判定条件、判定条件を満たすか否かの条件値、及び判定結果に応じて行う所定の動作（バルブ制御、異常警報）の設定の入力を受け付けるように構成されている。本実施の形態においては、設定手段２６に入力されたデータは、データ表示部２３に表示されるよう構成されている。設定手段２６は、それぞれの条件を識別する「ＩＤ」、条件の名称を表示する「条件名」、「データ種別」、「判定条件」、「条件値」、「所定の動作」の各項目の設定情報が、入力手段２４を用いて入力される。入力された条件の各項目は、条件毎に互いに関連付けられてデータ保持部２２に記憶される。
また、制御部２０が備える設定手段２６は、発電状態の判定対象となるデータ種別、データ種別に対応しモニタデータから指定されるデータ値が発電状態の判定に係る判定条件、判定条件を満たすか否かの条件値、及び判定結果に応じて行う所定の動作（バルブ制御、異常警報）の設定の入力を受け付けるように構成されている。本実施の形態においては、設定手段２６に入力されたデータは、データ表示部２３に表示されるよう構成されている。設定手段２６は、それぞれの条件を識別する「ＩＤ」、条件の名称を表示する「条件名」、「データ種別」、「判定条件」、「条件値」、「所定の動作」の各項目の設定情報が、入力手段２４を用いて入力される。入力された条件の各項目は、条件毎に互いに関連付けられてデータ保持部２２に記憶される。
（判定手段）
制御部２０が備える判定手段２７は、データ保持部２２に記憶されたモニタデータのうち、条件毎のデータ種別に対応したデータ値を指定するように構成されている。そして、判定手段２７は、指定したデータ値と条件値とを比較し、データ値が判定条件を満たすか否かの判定を行うように構成されている。
制御部２０が備える判定手段２７は、データ保持部２２に記憶されたモニタデータのうち、条件毎のデータ種別に対応したデータ値を指定するように構成されている。そして、判定手段２７は、指定したデータ値と条件値とを比較し、データ値が判定条件を満たすか否かの判定を行うように構成されている。
（実行手段）
実行手段２８は、データ値を所定の判定条件に基づいて判定した判定結果に応じて、上述の所定の動作を実行するように構成されている。
実行手段２８は、データ値を所定の判定条件に基づいて判定した判定結果に応じて、上述の所定の動作を実行するように構成されている。
（表示手段）
表示手段としてのデータ表示部２３は、データ値が判定条件を満たすか否かの判定結果等を示すアイコンを表示するように構成されている。
表示手段としてのデータ表示部２３は、データ値が判定条件を満たすか否かの判定結果等を示すアイコンを表示するように構成されている。
（発電システムの動作）
次に、本実施形態にかかる発電システム９０の動作について説明する。
次に、本実施形態にかかる発電システム９０の動作について説明する。
モニタサーバ９は、データ値として、各熱処理装置１ａ１〜１ａｎの処理温度データ、各冷却媒体路２ａ１〜２ａｎの流量センサ５ａ１〜５ａｎの冷却媒体の流量データ、温度センサ６ａ１〜６ａｎの冷却媒体の温度データ等を取得する。判定手段２７にて取得した各データ値を条件値（基準値）と比較し、データ値が基準値より低いと判断した場合、実行手段２８にて、発電部３への冷却媒体の供給停止（バルブ閉）するように、当該データ値を検知した冷却媒体路２ａ１〜２ａｎの制御バルブ４ａ１〜４ａｎを制御する。具体的には、発電部３へ供給（入力）する冷却媒体の温度が所定の温度以上となるように、言い換えれば、発電部３の温度センサ４９（７０）の温度が所定の温度を下回らないように、基準値を設定する。発電部３として、例えば、後述するバイナリ発電を用いる場合、発電部へ供給（入力）する冷却媒体の温度は、例えば９０℃以上とするのが好ましい。また例えば、後述するペルチェ発電を用いる場合、発電部へ供給（入力）する冷却媒体の温度は、例えば１３０℃以下とするのが好ましい。
発電部３の温度センサ４９（７０）の温度が所定の温度を下回らず、かつ、発電部３の流量センサ４８（６９）の流量が基準値以上になるように、冷却媒体路２ａ１〜２ａｎの制御バルブ４ａ１〜４ａｎを制御するよう構成されても良い。例えば、熱処理装置１ａ１〜１ａｎの内の一台が運転停止した場合や稼働状況が変化した場合（冷却媒体の温度が低下した場合）、他の稼働中の高温の熱源を備える熱処理装置からの冷却媒体の流量を増やして発電部３に供給するように構成されても良い。
例えば、冷却媒体路２ａ１、・・・、２ａｎから発電部３へ流入する冷却媒体の流量をＭ１、・・・、Ｍｎとすると、発電部３へ流入する冷却媒体の総流量Ｍａｌｌは下記数式１のようになる。
このとき、Ｍａｌｌが基準値Ｍｐ以上（Ｍａｌｌ≧Ｍp）であれば良い。また、冷却媒体路２ａ１、・・・、２ａｎを流れる冷却媒体の温度をＴ１、・・・、Ｔｎとすると、発電部３へ流入する冷却媒体の温度Ｔａｌｌは下記数式２のようになる。
このとき、Ｔａｌｌが所定の温度Ｔｐ以上（Ｔａｌｌ≧Ｔp）であれば良い。
モニタサーバ９は上記条件を満たすような冷却媒体の流量を算出し、バルブ４ａ１〜４ａｎを制御する。
モニタサーバ９は上記条件を満たすような冷却媒体の流量を算出し、バルブ４ａ１〜４ａｎを制御する。
さらに、各熱処理装置３の処理温度データを取得し、余剰稼働している熱処理装置１ａ１〜１ａｎがある場合は、余剰稼働している熱処理装置１ａ１〜１ａｎからの冷却媒体をタンク１０に貯留し、ポンプ１５を稼働させて循環貯蔵しても良い。タンク１０に設置されている温度センサ１２によりタンク１０内の冷却媒体の温度を検出し、一定温度および一定量の冷却媒体の貯蔵量を確保する様に、モニタサーバ９は制御バルブ１３を制御する。ここで、余剰稼働とは、発電部３へ冷却媒体を供給していなかったり、バイパスラインへ流す冷却媒体の流量が他の熱処理装置に比べて多かったりする状態のことを意味する。
モニタサーバ９は、余剰稼働している熱処理装置１ａ１〜１ａｎがなく、かつ、タンク１０に十分な冷却媒体が確保出来ていないと判定した場合は、発電部３の制御部２９と交信を行い、発電出力の変化を確認し、出力低下警報を発報するなどの異常警報動作を行う。異常警報動作としては、例えば、発電効率低下の警告がデータ表示部２３に表示されたり、メールサーバ３０を介して発電システム９０の管理者ＰＣ３１にメールが送信されたりする動作が実行される。
（発電部）
次に、本実施形態にかかる発電部３について説明する。
図３に示すように、発電部３の第１実施形態である、バイナリ発電部３ａは、冷却媒体を流入する流入路４０と、冷却媒体を排出する排出路４１と、第１熱交換器４２と、第２熱交換器４３と、タービン４４と、作動媒体を冷却する作動媒体冷却水を第２熱交換器４３に流入する冷却水流入路４５と、第２熱交換器４３から冷却水を排出する冷却水排出路４６と、流入路４０に設置された温度センサ４７と、排出路４１に設置された流量センサ４８と、冷却水流入路４５に設置された温度センサ４９と、冷却水排出路４６に設置された流量センサ５０と、作動媒体が流れる作動媒体路５１と、コンディショナ５４と、制御部５３とを備える。第１熱交換器４２は、流入路４０から冷却媒体が流入（入力）され、冷却媒体によって作動媒体路５１内の作動媒体が加熱される。第１熱交換器４２を通して熱エネルギーを作動媒体に受け渡した冷却媒体は、排出路４１を介して発電部（バイナリ発電部３ａ）外部に排出される。
次に、本実施形態にかかる発電部３について説明する。
図３に示すように、発電部３の第１実施形態である、バイナリ発電部３ａは、冷却媒体を流入する流入路４０と、冷却媒体を排出する排出路４１と、第１熱交換器４２と、第２熱交換器４３と、タービン４４と、作動媒体を冷却する作動媒体冷却水を第２熱交換器４３に流入する冷却水流入路４５と、第２熱交換器４３から冷却水を排出する冷却水排出路４６と、流入路４０に設置された温度センサ４７と、排出路４１に設置された流量センサ４８と、冷却水流入路４５に設置された温度センサ４９と、冷却水排出路４６に設置された流量センサ５０と、作動媒体が流れる作動媒体路５１と、コンディショナ５４と、制御部５３とを備える。第１熱交換器４２は、流入路４０から冷却媒体が流入（入力）され、冷却媒体によって作動媒体路５１内の作動媒体が加熱される。第１熱交換器４２を通して熱エネルギーを作動媒体に受け渡した冷却媒体は、排出路４１を介して発電部（バイナリ発電部３ａ）外部に排出される。
第１熱交換器４２で加熱されて高温、高圧ガスとなった作動媒体は、作動媒体路５１に
設置された発電駆動部としてのタービン４４を駆動（回転）させることにより発電する。タービン４４を駆動させた作動媒体は第２熱交換器４３に流入する。第２熱交換器４３に流入された作動媒体は、冷却水流入路４５から流入される作動媒体冷却水によって冷却され、低温の液体に液化される。作動媒体を冷却した作動媒体冷却水は、冷却水排出路４６から排出される。液化された作動媒体は圧縮器としてのコンプレッサ５２によって圧縮された後、第１熱交換器４２へ送出され、作動媒体路５１内で循環される。この循環サイクルを熱サイクルと言う。タービン４４で発電された電気は、整流部としてのコンディショナ５４を通して発電出力(交流電力)として出力される。
設置された発電駆動部としてのタービン４４を駆動（回転）させることにより発電する。タービン４４を駆動させた作動媒体は第２熱交換器４３に流入する。第２熱交換器４３に流入された作動媒体は、冷却水流入路４５から流入される作動媒体冷却水によって冷却され、低温の液体に液化される。作動媒体を冷却した作動媒体冷却水は、冷却水排出路４６から排出される。液化された作動媒体は圧縮器としてのコンプレッサ５２によって圧縮された後、第１熱交換器４２へ送出され、作動媒体路５１内で循環される。この循環サイクルを熱サイクルと言う。タービン４４で発電された電気は、整流部としてのコンディショナ５４を通して発電出力(交流電力)として出力される。
温度センサ４７，４９、流量センサ４８，５０、タービン４４、コンプレッサ５２およびコンディショナ５４は制御部２９に電気的に接続され、発電効率が安定されるように制御部２９によって監視される。制御部２９は、発電状態を制御するために、コンプレッサ５２とタービン４４とを制御して、コンディショナ５４の発電出力を安定化させるように構成される。
バイナリ発電部３ａは、例えば、９０℃以上の冷却媒体を２００Ｌ／ｍｉｎ以上の流量で流入されることにより、最大の運転効率で発電出力を得ることができる。その際、高効率の運転効率を維持するために、例えば、作動媒体冷却水の温度は２０℃以下とする必要がある。すなわち、運転時の温度差が、（冷却媒体の温度）−（作業媒体冷却水の温度）≧７０℃であり、かつ、（冷却媒体の流量）≧２００Ｌ／ｍｉｎとすることが好ましい。上述の条件を満たさない場合、発電効率に影響を及ぼし、安定した発電出力を得ることが困難となる。
モニタサーバ９は温度センサ６ａ１〜６ａｎおよび流量センサ５ａ１〜５ａｎからのモニタデータを取得し、所定の温度Ｔｐを、例えば９０℃、基準値Ｍｐを、例えば２００Ｌ／ｍｉｎとして判定および冷却媒体の供給流量算出を行い、バルブ４ａ１〜４ａｎを制御する。所定の温度Ｔｐおよび基準値Ｍｐは、バイナリ発電部３ａの性能に応じて、所望の発電量を達成できるように適宜設定される。
（ペルチェ発電部）
次に、本実施形態にかかる発電部３の第２実施形態であるペルチェ発電部３ｂの構成について説明する。
次に、本実施形態にかかる発電部３の第２実施形態であるペルチェ発電部３ｂの構成について説明する。
ここで、発電素子であるペルチェ素子７４の発電概念について説明する。図４に示すように、ペルチェ素子は、一対の金属電極８０，８１と、一対の金属電極の間に挟まれたＰ型半導体８２と、Ｎ型半導体８３とを備える。金属電極としては、例えば銅電極が用いられる。Ｐ型半導体８２とＮ型半導体８３とは電気的に直列接続されている。一対の金属電極８０，８１の上下にはセラミック基板８４が接着される。上下のセラミック基板８４において、吸熱と放熱とが行われることにより、上下の銅電極８０，８１間で温度差が生じる。
この温度差により、ゼーベック効果と呼ばれる物理現象による熱起電力が発生する。Ｐ型半導体８２とＮ型半導体８３に接続されたそれぞれの金属電極８０，８１の間には、ゼーベック効果で発生した熱起電力により発生する直流電流が流れる。これがペルチェ発電の基本概念となる。第２実施形態では、この基本概念を用いて発電を行う。
図５に示すように、ペルチェ発電部３ｂは、上冷板６０と、下冷板６１と、上冷板６０に冷却媒体を供給する上板流入路６２と、下冷板６１に冷却媒体を供給する下板流入路６３と、上冷板６０から冷却媒体を排出する上板排出路６４と、下冷板６１から冷却媒体を排出する下板排出路６５と、上板流入路６２に設置された上部バルブ６６と、下板流入路６３に設置された下部バルブ６７と、上板流入路６２に設置された上部流量センサ６８と、下板流入路６３に設置された下部流量センサ６９と、上板排出路６４に設置された上部温度センサ７０と、下板排出路６５に設置された下部温度センサ７１と、上冷板６０に設置された上板温度センサ７２と、下冷板６１に設置された下板温度センサ７３と、上冷板６０と下冷板６１との間には、複数のペルチェ素子７４とを備える。複数のペルチェ素子７４は、互いに直列または並列に接続され、上冷板６０と下冷板６１との間に設置されている。
温度センサ７０，７１，７２，７３、流量センサ６８，６９、ペルチェ素子７４は制御部２９に電気的に接続され、発電効率が安定されるように制御部２９によって監視される。制御部２９は、発電状態を制御するために、発電出力を安定化させるように構成される。
図５に示すように、バルブ６６，６７は制御部２９により制御される。また、流量センサ６８，６９、温度センサ７０，７１，７２，７３およびペルチェ発電部３ｂの発電量は、制御部２９により監視される。制御部２９は、モニタサーバ９へ電気的に接続されている。このような構成とすることにより、安定した温度管理をすることができる。
上板流入路６２および下冷流入路６３へは、冷却媒体路２ａ１〜２ａｎがそれぞれ接続される。下板流入路６３および上板流入路６２へ流入される冷却媒体の流量は、上部流量センサ６８，下部流量センサ６９で検出され、制御部２９からモニタサーバ９へ流量データとして送信される。モニタサーバ９は、温度センサ７０により得られた冷却媒体の温度を基に、例えば、上冷板６０の表面温度が１３０℃以下となるように、バルブ４ａ１〜４ａｎおよび上部バルブ６６の開度を制御し、冷却媒体の流量を制御する。同様に、温度センサ７１により得られた冷却媒体の温度を基に、下冷板６１の表面温度が例えば室温または、常温（例えば２０℃）となるように、バルブ４ａ１〜４ａｎおよび下部バルブ６７の開度を制御し、冷却媒体の流量を制御する。
例えば、冷却媒体路２ａ１、・・・、２ａｎから上冷板６０へ流入する冷却媒体の流量をＭｕ１、・・・、Ｍｕｎ、冷却媒体の温度をＴ１、・・・、Ｔｎとすると、上冷板６０へ流入される冷却媒体の温度Ｔｕは、下記数式３のようになる。
また、冷却媒体路２ａ１、・・・、２ａｎから下冷板６１へ流入する冷却媒体の流量をＭｂ１、・・・、Ｍｂｎ、冷却媒体の温度をＴ１、・・・、Ｔｎとすると、上冷板６０へ流入される冷却媒体の温度Ｔｂは、下記数式４のようになる。
このとき、Ｔｕ−Ｔｂ≧７０℃、かつ、Ｔｕ≦１３０℃を満たすように、モニタサーバ９は上冷板６０および下冷板６１への冷却媒体の流入流量を制御する。
本実施形態では、ペルチェ発電部３ｂは1ユニットであるが、複数ユニットを並列、あるいは、直列に接続しても良い。このように構成することにより、更に大きな電力を得ることが可能である。
(熱処理装置の構成)
次に、本実施形態に係る熱源として加熱部が用いられる熱処理装置の構成について説明する。熱処理装置としての基板処理装置１ａは、半導体装置（デバイス）の製造方法における製造工程の一工程として熱処理や成膜処理等の基板処理工程を実施する。本実施形態においては、例えば、縦型基板処理装置（以下、処理装置と称する）１００として構成されている。
次に、本実施形態に係る熱源として加熱部が用いられる熱処理装置の構成について説明する。熱処理装置としての基板処理装置１ａは、半導体装置（デバイス）の製造方法における製造工程の一工程として熱処理や成膜処理等の基板処理工程を実施する。本実施形態においては、例えば、縦型基板処理装置（以下、処理装置と称する）１００として構成されている。
図６に示すように、本実施形態に係る処理装置１００は、筐体１１１を備えている。基板としてのウエハＷを複数枚収納するウエハキャリア（基板収容器）であるポッド１１０は、筐体１１１の正面壁に形成されたポッド搬入搬出口１１２から基板処理装置に搬入出される。
筐体１１１内におけるポッド搬入搬出口１１２の近傍には、ポッド搬送装置１１８が設置され、筐体１１１内の前後方向の略中央部における上方には、ポッド棚１０５が設置されている。ポッド搬送装置１１８は、ポッド搬入搬出口１１２と、ポッド棚１０５と、ポッドオープナ１２３との間で、ポッド１１０を相互に搬送するように構成されている。
筐体１１１内の下部には、移載室１２４が、筐体１１１内の前後方向の略中央部から後端にわたって設けられる。移載室１２４の正面壁１１９ａには、ポッド１１０の蓋を開閉するポッドオープナ１２３が上下二段に設置されている。
移載室１２４内にはウエハ移載機構１２５、ボート２１７およびボートエレベータ１１５が設置されている。ウエハ移載装置１２５は、ウエハＷの載置部としてのツイーザ１２５ｃを備え、ウエハＷをポッド１１０からボート（基板保持具）２１７に対して装填（チャージング）及び脱装（ディスチャージング）するように構成されている。
移載室１２４上方には、ウエハＷを処理する処理容器としての処理炉２０２が設けられている。処理炉２０２の下端部は、炉口シャッタ（炉口開閉機構）１４７により開閉されるように構成されている。移載室１２４の側端部には、清浄化した雰囲気もしくは不活性ガスであるクリーンエアを供給するクリーンユニットが設置されている。なお、処理炉２０２の構成については後述する。
ボートエレベータ１１５にはアームが連結されており、アームには、炉口蓋体としてのシールキャップ１２８が水平に据え付けられている。シールキャップ１２８は、ボート２１７を垂直に支持し、処理炉２０２の下端部を閉塞可能なように構成されている。ボート２１７は、複数枚（例えば、２５枚〜１５０枚程度）のウエハＷを、垂直方向に整列させた状態でそれぞれ水平に保持するように構成されている。
（処理炉の構成）
続いて、本実施形態に係る処理炉２０２の構成について、説明する。
続いて、本実施形態に係る処理炉２０２の構成について、説明する。
図６および図７に示すように、処理炉２０２は反応管２０３を備えている。反応管２０３の筒中空部には、ウエハＷを処理する処理室２０４が形成されている。処理室２０４は、ウエハＷを保持するボート２１７を収容可能に構成されている。
反応管２０３の外側には、反応管２０３の側壁面を囲うように、反応管２０３内のウエハＷを加熱する加熱部としてのヒータ２０７が設けられている。ヒータ２０７は円筒形状であり、保持板としてのヒータベースに支持されることにより垂直に据え付けられている。
反応管２０３内には、温度検出器として、例えば熱電対等の温度センサ２２５が設置されている。ヒータ２０７及び温度センサ２２５は、コントローラ２８０と電気的に接続されている。コントローラ２８０は、温度センサ２２５により検出された温度データに基づいて、処理室２０４内の温度が所望のタイミングにて所望の温度分布となるように、ヒータ２０７への供給電力を調整するように構成されている。
処理室２０４内への処理ガスの供給は、処理ガス供給部によって行われる。処理ガス供給部が供給する処理ガスは、成膜される膜の種類に応じて換えられる。処理ガス供給部は、ガス供給管２２１を備え、ガス供給管２２１には、上流方向から順に、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）２２３およびバルブ２２４が設けられている。ガス供給管２２１はノズル２２０に接続される。ノズル２２０は、反応管２０３内に上下方向に沿って立設し、ボート２１７に保持されるウエハＷに向かって開口する複数の供給孔２１９が形成されている。ノズル２２０の供給孔２１９を通してウエハＷに対して処理ガスが供給される。
反応管２０３には、反応管２０３（処理室２０４）内の雰囲気を排気する排気管２３１が接続されている。排気管２３１には、上流側から順に、処理室２０４内の圧力を検出する圧力センサ２３２、ＡＰＣ（Ａｕｔｏ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｏｒｏｌｌｅｒ）バルブ２３３、及び真空ポンプ２３４が設けられている。
ヒータ２０７の外周には、断熱部材２０８がヒータ２０７を覆うように配置される。断熱部材２０８の外周には、ヒータ２０７を冷却する冷却媒体が流れる冷却媒体路２０９（２ａ）が配置される。冷却媒体路２０９は、例えば、一本の連続したパイプ部材で形成され、渦巻き状に配置されており、冷却媒体としては、例えば冷却水が導入される。冷却媒体路２０９は、断熱部材２０８の外側の面に装着されていて、冷却媒体路２０９の一端側２１０には、流体切替装置２１１が接続されている。流体切替装置２１１から供給された冷却媒体は、一端部２１０を介して冷却媒体路２０９内へと導入され、冷却媒体路２０９内へと導入された冷却媒体が、冷却媒体路２０９の他端側２１２から排出される。冷却媒体路２０９の排出側である他端２１２は、発電部３まで延伸され、発電部３に接続されている。なお、冷却媒体路２０９は断熱部材２０８の内部に埋め込むように形成されても良い。
（基板処理装置の動作）
次に、本実施形態に係る処理装置１００の動作について図６を用いて説明する。
次に、本実施形態に係る処理装置１００の動作について図６を用いて説明する。
（ポッド搬送行程）
ポッド１１０がロードポート１１４に供給されると、ポッド搬入搬出口１１２から筐体１１１内部へ搬入されたポッド１１０は、ポッド搬送装置１１８によってポッド棚１０５へ搬送されて一時的に保管された後、ポッド棚１０５からポッドオープナ１２１に移載される。
ポッド１１０がロードポート１１４に供給されると、ポッド搬入搬出口１１２から筐体１１１内部へ搬入されたポッド１１０は、ポッド搬送装置１１８によってポッド棚１０５へ搬送されて一時的に保管された後、ポッド棚１０５からポッドオープナ１２１に移載される。
（ウエハ移載工程）
ポッドオープナ１２１に載置されたポッド１１０の蓋は、ポッドオープナ１２１の蓋着脱機構によって取り外される。その後、ウエハＷは、ウエハ移載装置１２５のツイーザ１２５ｃによってポッド１１０内からピックアップされ、ボート２１７に装填される。
ポッドオープナ１２１に載置されたポッド１１０の蓋は、ポッドオープナ１２１の蓋着脱機構によって取り外される。その後、ウエハＷは、ウエハ移載装置１２５のツイーザ１２５ｃによってポッド１１０内からピックアップされ、ボート２１７に装填される。
（ボート搬送行程）
予め指定された枚数のウエハＷがボート２１７内に装填されると、炉口シャッタ１４７によって閉じられていた処理炉２０４の下端部が開放される。続いて、シールキャップ１２８がボートエレベータ１１５によって上昇されることにより、ウエハＷを保持したボート２１７が処理室２０４内へ搬入（ボートローディング）される。
予め指定された枚数のウエハＷがボート２１７内に装填されると、炉口シャッタ１４７によって閉じられていた処理炉２０４の下端部が開放される。続いて、シールキャップ１２８がボートエレベータ１１５によって上昇されることにより、ウエハＷを保持したボート２１７が処理室２０４内へ搬入（ボートローディング）される。
（昇温行程）
ボートローディング後は、ヒータ２０７により処理室２０４内を加熱し、第一の温度から第二の任意の温度まで昇温（ランプアップ）する。
ボートローディング後は、ヒータ２０７により処理室２０４内を加熱し、第一の温度から第二の任意の温度まで昇温（ランプアップ）する。
（基板処理工程）
その後、処理室２０４内にてウエハＷに任意の基板処理が実施される。例えば、処理室内２０４内を任意の温度に維持し、ウエハＷに対して処理ガス供給部より処理ガスを供給することで、ウエハＷ上に薄膜を形成する。冷却媒体路２０９に冷却媒体を流すことにより、基板処理装置外へのヒータ２０７の放熱を抑制しつつ、処理室２０４内の温度を任意の温度に加熱維持する。
その後、処理室２０４内にてウエハＷに任意の基板処理が実施される。例えば、処理室内２０４内を任意の温度に維持し、ウエハＷに対して処理ガス供給部より処理ガスを供給することで、ウエハＷ上に薄膜を形成する。冷却媒体路２０９に冷却媒体を流すことにより、基板処理装置外へのヒータ２０７の放熱を抑制しつつ、処理室２０４内の温度を任意の温度に加熱維持する。
（降温行程）
基板処理後は、ヒータ２０７による処理室２０４内の加熱を停止し、第二の温度から第三の温度まで降温（ランプダウン）する。
基板処理後は、ヒータ２０７による処理室２０４内の加熱を停止し、第二の温度から第三の温度まで降温（ランプダウン）する。
（ボート搬出工程）
第三の温度まで降温された後、ボート２１７が処理室２０４内より搬出される（ボートアンローディング）。
第三の温度まで降温された後、ボート２１７が処理室２０４内より搬出される（ボートアンローディング）。
ボート２１７より処理後のウエハＷがポッド１１０に移載され、上述と逆の手順でウエハＷを格納したポッド１１０が筐体１１１外へと搬出される。
冷却水は常に冷却媒体路２２を流れている。例えば、ランプアップやランプダウン時において、言い換えれば、ヒータ２０７の加熱状況（稼働状況）に応じて冷却媒体の温度が変動することが考えられる。モニタサーバ９は、例えば、温度センサ２２５からの温度データを、コントローラ２８０を介して取得し、処理装置１ａの稼働状況を監視する。また例えば、モニタサーバ９は、処理装置１ａがどの工程にあるかの情報を、コントローラ２８０を介して取得し、処理装置１ａの稼働状況を監視する。
＜本実施形態にかかる効果＞
本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果が得られる。
（１）複数の熱源のそれぞれの稼働状況に対応して、発電部への入力を調整することができるため、発電電力を安定して供給することができる。というのも、従来の技術では、発電に必要な複数の入力（例：冷却媒体等）等を一元化管理する発電制御を行っていないため、発電電力を安定して供給することができないことがある。これに対し、実施形態によれば、複数の入力を監視・制御することができるため、発電電力を制御することができ、安定して電力を供給することができる。
（２）複数の熱源の稼働状況を管理することにより、発電部での発電状況を予測することができる。熱源の稼働状況を管理することにより、発電部への入力の状況変化を予測することができ、発電状況を予測し管理することができる。
（３）熱源および発電部から情報を一元化して収集するモニタサーバを構築することにより、あらゆる情報変化を包括的に管理することができる。これにより、他の発電システムとも協調・併用運転が可能となる。
本実施形態によれば、以下に示す１つ又は複数の効果が得られる。
（１）複数の熱源のそれぞれの稼働状況に対応して、発電部への入力を調整することができるため、発電電力を安定して供給することができる。というのも、従来の技術では、発電に必要な複数の入力（例：冷却媒体等）等を一元化管理する発電制御を行っていないため、発電電力を安定して供給することができないことがある。これに対し、実施形態によれば、複数の入力を監視・制御することができるため、発電電力を制御することができ、安定して電力を供給することができる。
（２）複数の熱源の稼働状況を管理することにより、発電部での発電状況を予測することができる。熱源の稼働状況を管理することにより、発電部への入力の状況変化を予測することができ、発電状況を予測し管理することができる。
（３）熱源および発電部から情報を一元化して収集するモニタサーバを構築することにより、あらゆる情報変化を包括的に管理することができる。これにより、他の発電システムとも協調・併用運転が可能となる。
以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。しかしながら、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
例えば、熱源としては、処理炉のヒータの他、処理炉の熱排気（高温エア等）や、処理炉に接続されている排気配管からの放熱が利用可能である。その他、排気ポンプ等がある場合は、モーターの熱やポンプ本体の圧縮部排熱など、熱を有する媒体であれば全て利用が可能である。熱処理装置であれば、例えば、反応容器の外側に設けられた加熱部（ヒータ）、加熱された反応容器、加熱された基板、反応容器ないし反応容器部材を冷却する冷媒（ガス、冷却水）などが利用可能である。
本システムは、様々な排熱発電について当該排熱発電同様の制御を可能とするシステムであり、その応用範囲は、直接排熱発電、機械振動発電、熱音響発電等のシステムなど、広い範囲の応用が可能である。
この出願は、２０１６年２月２６日に出願された特願２０１６−０３５３６３を基礎として優先権の利益を主張するものであり、その開示の全てを引用によってここに取り込む。
１ａ１〜１ａｎ 熱処理装置（熱源）
５ａ１〜５ａｎ 流量センサ
６ａ１〜６ａｎ 温度センサ
７ バイパスライン
９ モニタサーバ
１０ タンク
２９ 制御部
５ａ１〜５ａｎ 流量センサ
６ａ１〜６ａｎ 温度センサ
７ バイパスライン
９ モニタサーバ
１０ タンク
２９ 制御部
Claims (13)
- 複数の半導体製造装置にそれぞれ設置され、前記半導体製造装置を冷却する冷却媒体が流れる複数の冷却媒体路が接続された発電部に、前記複数の半導体製造装置を冷却した後の冷却媒体を流入して発電を行う発電システムであって、
前記複数の冷却媒体路が一本に合流されるよりも上流側において、前記複数の冷却媒体路の各々に設けられる第１制御バルブと、
前記第１制御バルブよりも上流側において、前記複数の冷却媒体路の各々に設けられ、前記半導体製造装置を冷却した後の前記冷却媒体の温度を検出する温度センサと、
発電に用いられない冷却媒体及び前記発電部において発電に用いられた後の冷却媒体を排出する流路であるバイパスラインと、
前記温度センサよりも上流側において、前記複数の冷却媒体路のそれぞれから分岐し、冷却媒体をバイパスラインへ流す分岐路と、
前記分岐路と前記バイパスラインとの間に設けられる遮断バルブと、
前記第１制御バルブの出力からの冷却媒体路と第２制御バルブを介して接続され、前記発電部に流入されない前記冷却媒体を貯留するタンクと、
前記タンクに貯留された冷却媒体を、発電部に供給する第３制御バルブと、を備え、
前記第１制御バルブは、前記発電部に流入する前記冷却媒体の温度が所定の温度以上となるように、前記複数の熱源を冷却した後のそれぞれの冷却媒体の温度に基づいて、前記複数の冷却媒体路から前記発電部への前記冷却媒体の流入を制御する発電システム。 - 前記複数の半導体製造装置および発電部とデータ交換可能なように構成され、発電の制御および監視を行うように構成された管理装置を、更に備えた請求項１に記載の発電システム。
- 前記冷却媒体路にそれぞれ設置された流量検出部によって、前記冷却媒体の流量を検出する請求項２に記載の発電システム。
- 前記発電部に流入する前記冷却媒体の温度が所定の温度以上となるように、前記半導体製造装置を冷却した後のそれぞれの前記冷却媒体の温度に基づいて前記複数の冷却媒体路の各々から前記発電部へ流入させる前記冷却媒体の流入量を算出し、前記流入量に応じて前記複数の冷却媒体路の各々に設置された第１制御バルブを制御する請求項３に記載の発電システム。
- 前記冷却媒体の温度が前記所定の温度を下回る温度の場合、前記第１制御バルブを閉とするよう前記第１制御バルブを制御する請求項４に記載の発電システム。
- 前記発電部は、バイナリ発電機であって、前記所定の温度は９０℃以上である請求項１に記載の発電システム。
- 前記タンク内の前記冷却媒体を所定の温度以上に保つように加熱する加熱部を制御する請求項６に記載の発電システム。
- 前記半導体製造装置からの前記冷却媒体の温度又は流量が不足する際に、前記タンクの前記冷却媒体を前記発電部に流入させる請求項７に記載の発電システム。
- 前記冷却媒体の温度又は流量が不足し、前記発電部による発電効率が所定値以下となる場合、警報を発報するよう構成される請求項１に記載の発電システム。
- 前記発電部は、
前記冷却媒体を流入し、作動媒体を加熱する第１熱交換器と、
前記第１熱交換器に接続され、加熱された前記作動媒体によって駆動され発電するタービンと、
前記タービンに接続され、前記作動媒体を冷却する第２熱交換器と、
前記第２熱交換器で冷却された前記作動媒体を前記第１熱交換器に再循環させる圧縮部と、
を有する請求項６に記載の発電システム。 - 前記発電部は、
第１温度の前記冷却媒体を流入する第１の板と、
前記第１温度よりも低い第２温度の前記冷却媒体を流入する第２の板と、
前記第１の板と前記第２の板との間に介在される発電素子と、
を有する請求項１に記載の発電システム。 - 前記冷却媒体は、冷却水またはガスである請求項１に記載の発電システム。
- 前記複数の半導体製造装置および発電部とデータ交換可能なように構成され、前記発電部に流入する前記冷却媒体の温度が所定の温度以上となるように、前記複数の熱源を冷却した後のそれぞれの冷却媒体の温度に基づいて前記複数の冷却媒体路の各々に設置された開閉部をそれぞれ制御し、前記複数の冷却媒体路から前記発電部への前記冷却媒体の流入を制御する制御部を、更に備える請求項１記載の発電システム。
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Publications (2)
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