JPWO2010026840A1 - 熱交換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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熱交換装置を提供する。
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、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熱交換装置を提供できる。
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、100ΩPt RTD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。
Claims (10)
- 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、
該第1熱交換器と所要間隔をおいて配置され、第1液体よりも低い温度の第2液体が通流される第2熱交換器と、
前記第1熱交換器および第2熱交換器にこの順に空気を通過させるファンとを具備し、
前記第1熱交換器に空気を通過させて第1液体を所要温度にまで冷却すると共に、第1熱交換器を通過して昇温した空気を前記第2熱交換器に通過させて、該空気を第2液体により冷却することを具備することを特徴とする熱交換装置。 - 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記載の熱交換装置。
- 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記載の熱交換装置。 - 前記第1液体が100℃を上回る温度となる液体であり、前記第2液体が水であることを特徴とする請求項1〜3いずれか1項記載の熱交換装置。
- 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1〜4いずれか1項記載の熱交換装置。
- 前記第1熱交換器、第2熱交換器およびファンがケーシング内に配置され、ファンにより、ケーシング内の空気が循環して送風されることを特徴とする請求項1〜5いずれか1項記載の熱交換装置。
- 前記ケーシング内に外部空気が一部取り入れられ、ケーシング内の空気の一部が外部に排出されることを特徴とする請求項6記載の熱交換装置。
- 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1〜7いずれか1項記載の熱交換装置。
- 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8記載の熱交換装置。
- 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8または9記載の熱交換装置。
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