WO2019230463A1 - 冷却装置、冷却装置を備えた露光装置、冷却装置を備えた産業用機器 - Google Patents

Abstract

冷媒を圧縮する圧縮機（２）と、前記圧縮機（２）の下流側に配置され、圧縮された冷媒を第一の流路と第二の流路に分流させる分岐点（７）と、前記第一の流路において前記分岐点（７）の下流側に配置され、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器（３）と、前記凝縮器（３）の下流側に配置され、凝縮された冷媒を減圧する第一の減圧器（４）と、前記第一の減圧器（４）の下流側に配置され、各々が異なる被冷却対象を冷却するよう直列に接続された複数の蒸発器（５ａ、５ｂ、５ｃ）と、前記第二の流路において前記分岐点（７）の下流側に配置され、圧縮された冷媒を減圧する第二の減圧器（１１）と、前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器（５ｃ）の上流側に位置する合流点（８）に、前記第二の減圧器（１１）の流出口を接続するホットガス流路（９）と、前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器（５ｃ）から流出する冷媒を前記圧縮機に還流する還流路（１３）と、前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器（５ｃ）において冷却された被冷却対象の温度を検知する第一の温度検知手段（１０）と、制御部（１２）と、を備え、前記制御部（１２）は、前記第一の温度検知手段（１０）が検知した温度に基づき、前記第二の減圧器（１１）の開閉度を制御する、冷却装置（１）。

Description

冷却装置、冷却装置を備えた露光装置、冷却装置を備えた産業用機器

　本発明は、複数の蒸発器を備え、複数の対象を同時に冷却することが可能な冷却装置に関する。特に、発熱量が異なる複数の発熱要素を有する産業用機器において、好適に用いられる冷却装置に関する。

　近年は、露光機などの半導体製造装置、レーザ加工機、フラットパネルディスプレイ製造装置をはじめ、発熱量が異なる複数の発熱要素を有する産業用機器が増えている。例えば、半導体製造用露光機には、光源を含む光学系、モーター、制御回路、電源等の構成要素が含まれ、これらは発熱量が異なる複数の発熱源と見なす事ができる。こうした産業用機器を正常な状態で安定的に動作させるためには、複数の発熱源やその周辺部を、発熱量に応じて適切に冷却できる冷却装置が必要になる。

　特許文献１には、複数の対象を冷却可能な冷却装置が記載されている。この装置では、圧縮機と凝縮器をこの順番に直列に配置し、凝縮器の下流側で冷媒流路を２つに分岐させ、それぞれの流路に減圧器と蒸発器を直列に配置し、２つの冷凍サイクルを並列に構成している。
　そして、２つの冷凍サイクルのうち一方に関しては、圧縮機の下流側と蒸発器の上流側を、電磁弁と圧力調整弁を備えたホットガスバイパスにより接続している。また、ホットガスバイパスを備えていない方の冷凍サイクルに関しては、凝縮器と蒸発器の間に、ホットガスバイパスと同様の電磁弁を配置している。被冷却対象の温度を検出する検出手段により検出された温度に応じて２つの電磁弁の開度をそれぞれ調節することで、被冷却対象の温度が一定の範囲内に収まるように蒸発器の冷凍能力を調節している。

実開昭６３－１４４５５７号公報

　半導体製造装置やレーザ加工機をはじめとする産業用機器の冷却に用いられる冷却装置には、小型で冷却能力が安定し、コスト的に低廉でしかも操作性がよいことが求められる。
　特許文献１に記載された装置は、１つの圧縮機と１つの凝縮器で２つの蒸発器を動作させるため、圧縮機、凝縮器、蒸発器を各１つ備える冷却装置を２台併設するよりは小型化できるといえる。

　しかしながら、蒸発器と同数の減圧器を必要とする構成であることから、十分に小型化されているとは言い難く、またコスト的にも十分に低廉であるとは言い難い。
　また、各熱源の熱量の違いから各蒸発器の出口圧力に差異が生じる場合があるが、並列に接続された蒸発器の下流の合流部において、圧力差のため冷媒の流れが変動して冷却能力が不安定になり、温度調整の制御性が低下する可能性がある。
　さらに、いずれかの蒸発器の２次側（熱源）が停止した時には、蒸発不足により液相が過多になった冷媒を圧縮機に還流させ続けることになり、多量の液相を吸入した圧縮機が故障する可能性がある。そうした場合には、熱源が停止した側の冷媒の流れをバルブを閉じて停止させる必要があり、操作上不便であった。

　本発明の一態様によると、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の下流側に配置され、圧縮された冷媒を第一の流路と第二の流路に分流させる分岐点と、前記第一の流路において前記分岐点の下流側に配置され、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器の下流側に配置され、凝縮された冷媒を減圧する第一の減圧器と、前記第一の減圧器の下流側に配置され、各々が異なる被冷却対象を冷却するよう直列に接続された複数の蒸発器と、前記第二の流路において前記分岐点の下流側に配置され、圧縮された冷媒を減圧する第二の減圧器と、前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器の上流側に位置する合流点に、前記第二の減圧器の流出口を接続するホットガス流路と、前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器から流出する冷媒を前記圧縮機に還流する還流路と、前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器において冷却された被冷却対象の温度を検知する第一の温度検知手段と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記第一の温度検知手段が検知した温度に基づき、前記第二の減圧器の開閉度を制御する、ことを特徴とする冷却装置である。

　小型で冷却能力が安定し、コストが低廉でしかも操作性がよい冷却装置を提供できる。例えば、露光機をはじめとする産業用機器の冷却装置として好適に用いることができる。
　本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。尚、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。

実施形態１の冷却装置の構成を示す図。 実施形態１の制御部の構成を示すブロック図。 実施形態１の冷却装置を含む露光装置の構成を示す図。 実施形態２の冷却装置の構成を示す図。 実施形態３の冷却装置の構成を示す図。 実施形態３の制御シーケンスを示す模式的なブロック図。 実施形態４の冷却装置の蒸発器を示す図。 実施形態５の冷却装置の蒸発器を示す図。

［実施形態１］
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態１である冷却装置について説明する。
　図１に示す実施形態１の冷却装置１は、圧縮機２、凝縮器３、減圧手段４、蒸発器５ａ、蒸発器５ｂ、蒸発器５ｃを、冷媒配管で直列に接続した冷凍サイクルを有している。図１では、冷媒配管における冷媒の流れる方向を、実線の矢印で示している。尚、ここでいう冷凍サイクルとは、冷却装置の機能を発揮するために、冷媒が状態変化しながら「圧縮機→凝縮器→減圧器（膨張弁）→蒸発器」を循環するサイクルを指し、必ずしも凍ることを意味するものではない。

　圧縮機２は、吸入した冷媒を圧縮して高温高圧の気体状態に変化させ、下流側へ吐出する。尚、不図示であるが、圧縮機２は吸入口の手前に気液分離器を備えていてもよい。
　圧縮機２から吐出した高温高圧の気化冷媒は、圧縮機２の下流側の分岐点７において凝縮器３に向かう第一の流路と、減圧手段１１に向かう第二の流路に分岐する。

　凝縮器３は、圧縮機２から吐出した高温高圧の気化冷媒を、Ｄ－Ｄ’間に冷却用の液体を流して冷却し、凝縮させる。凝縮器３で凝縮された液化状態の冷媒は、冷媒配管を通じて第一の減圧器である減圧手段４に流入する。尚、不図示であるが、凝縮器３と減圧手段４の間に受液器を配置しても良い。

　減圧手段４は、凝縮器３で凝縮された高圧の液化冷媒を減圧して気液混合状態にする減圧器である。減圧手段４の下流側には、複数の蒸発器が直列に接続されている。図１の例では、蒸発器５ａ、蒸発器５ｂ、蒸発器５ｃを接続しているが、直列接続する蒸発器の数は３に限るものではない。
　各蒸発器においては、減圧手段４で減圧された気液混合冷媒が被冷却対象から熱を奪い、被冷却対象を冷却する。すなわち、蒸発器５ａでは、流入する高温の被冷却対象Ａから熱を奪い、冷却された被冷却対象Ａ’を流出させる。同様に、蒸発器５ｂは流入する高温の被冷却対象Ｂから熱を奪い、冷却された被冷却対象Ｂ’を流出させ、蒸発器５ｃは流入する高温の被冷却対象Ｃから熱を奪い、冷却された被冷却対象Ｃ’を流出させる。この時、冷媒は、最上流の蒸発器５ａに流入してから最下流の蒸発器５ｃを流出するまで、気液二相（混合）状態または気体状態を維持している。最下流の蒸発器５ｃを流出した気化冷媒は、還流路１３を介して圧縮機２の吸入口に還流する。

　最下流に位置する蒸発器５ｃの下流側に冷媒の温度および／または圧力の検知手段である検知手段６を配置し、蒸発器５ｃから流出し圧縮機２に流入する冷媒の温度または圧力、あるいは温度と圧力の両方を検知する。検知手段６には、例えば感温筒や圧力センサなどを用いると良い。検知手段６で検知した冷媒の温度または圧力、あるいは温度と圧力の情報は制御部１２に入力され、制御部１２は、蒸発器５ｃから流出した冷媒の過熱度を検知する。本実施形態では、冷媒が所定範囲内の過熱度を維持するように減圧手段４の出口側の圧力を調整する。このため、制御部１２は減圧手段４に制御信号を送り、流出口の開閉量を調整する。尚、制御部１２は、検知手段６が検知した値と、その値の時に冷媒の過熱度を所定範囲内に収めるために減圧手段４がとるべき開閉度の関係を予めテーブル化して記憶する等により、検知した値から過熱度を検知しなくても同等の制御を行うことが可能である。

　また、本実施形態では、圧縮機２の下流側の分岐点７と、最下流の蒸発器５ｃの上流側の合流点８との間を接続するホットガスバイパス回路９を配置する。本実施形態では、蒸発器５ｂから流出した冷媒に、第二の減圧器である減圧手段１１により圧力を調整されたホットガスを合流点８で合流させ、最下流の蒸発器５ｃに流入する冷媒の温度を変化させて蒸発器５ｃの冷却能力を調整する。すなわち、最下流の蒸発器５ｃにより冷却された被冷却対象Ｃ’の温度を、第一の温度検知手段である温度検知手段１０が検知して制御部１２に入力し、制御部１２は蒸発器５ｃが被冷却対象Ｃを所望の温度に冷却するよう減圧手段１１の開閉量を制御する。

　本実施形態では、複数の蒸発器のうち最下流の蒸発器以外については、冷却能力は略一定の状態で使用し、最下流の蒸発器は冷却能力を可変にしている。本実施形態の冷却装置は、上流側の蒸発器において比較的冷却負荷の大きさやその変動が小さい被冷却対象を扱い、最下流の蒸発器では比較的冷却負荷やその変動が大きな被冷却対象を扱うのに好適であると言える。

　尚、図１では３台の蒸発器を配置したが、台数はこの例に限定されるわけではなく、最下流の蒸発器を流出するまで冷媒が気液二相（混合）状態または気体状態を維持することができるのであれば、３つ以上の蒸発器を直列に配置しても差し支えない。すなわち、より多くの数の被冷却対象を扱っても差し支えない。

　次に、冷却装置１の制御系について説明する。図２は、冷却装置１の制御系を簡易的に示す制御ブロック図である。尚、図示の便宜上、図２には制御部が制御する要素のうち、一部の要素だけを示している。
　制御部１２は、冷却装置１の動作を制御するためのコンピュータで、内部には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポート等を備えている。

　ＲＯＭには、冷却装置１の基本動作プログラムが記憶されている。圧縮機２の動作制御や、検知手段６で検知した冷媒の温度または圧力、あるいは温度と圧力の両方の情報をもとに減圧手段４の開閉量を制御する処理や、温度検知手段１０で検知した温度情報をもとに減圧手段１１の開閉量を制御する処理を実行するためのプログラムもＲＯＭに記憶されている。ただし、これらのプログラムは、ネットワークを介して外部からＲＡＭにロードしてもよいし、あるいは、コンピュータにより読み取り可能な記録媒体を介して、ＲＡＭにプログラムをロードしてもよい。

　制御部１２のＩ／Ｏポートは、外部のコンピュータをはじめとする外部機器１９やネットワークと接続されている。制御部１２は、冷却装置１が冷却する対象の産業用機器の各部の発熱量や許容温度範囲等、冷却を制御するのに必要なデータの入出力を、Ｉ／Ｏポートを介して外部のコンピュータとの間で行うことができる。

　次に、冷却装置１を産業用機器に組み込んで、産業用機器の各部を冷却する態様の例を説明する。図３は、半導体製造用の微細パターンを露光する露光装置２０に、本実施形態の冷却装置１が組み込まれた例を示す模式的なブロック図である。

　露光装置２０のチャンバー２８の中には、制御回路系２１、駆動動力系２２、光学ユニット２３等が配置されている。制御回路系２１は、例えば電源やコンピュータを含んでおり、駆動動力系２２は、例えばステージ駆動用のモーターを含んでおり、光学ユニット２３は、例えば光源やレンズ駆動モーターを含んでいる。すなわち、これらの各部は発熱源となっており、精密な機械精度を要求される露光装置では、これら各部はもちろんのこと、チャンバー内の雰囲気２４も含めた温度管理が重要である。

　このうち、制御回路系２１と駆動動力系２２は、比較的発熱量が小さく発熱の時間変動も小さいため、冷却装置１の上流側の蒸発器５ａと蒸発器５ｂを用いて、略一定の冷却能力で冷却する。具体的には、制御回路系２１と駆動動力系２２は液冷とし、ポンプ２５およびポンプ２６を用いて冷却液を循環させる。
　これに対して、光学ユニット２３周辺は比較的発熱量が大きく、しかもその熱はチャンバー内の雰囲気に拡散する。光学ユニット２３に温度変動が生じると、微細パターンの露光精度に影響を与えるため、光学ユニット２３やチャンバー内雰囲気については冷却能力を十分に大きくし、しかも温度変動を抑制できる制御を必要とする。このため、本実施形態では、光学ユニット２３とチャンバー内を空冷することとし、送風機２７を用いて光学ユニット２３付近の空気とチャンバー内の雰囲気を蒸発器５ｃに送って冷却し、循環させる。

　図３の例における冷却装置１の動作について、再び図１を参照して説明する。
　まず、圧縮機２を安定動作させるには、温度が３５℃以下で圧力が０．２ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ以下の状態の冷媒を吸入する必要があるが、後述するように蒸発器５ｃから還流路１３を介して還流する冷媒は０．８ＭＰａで温度が１４℃程度であるので問題ない。圧縮機２に吸入された冷媒は、圧力が２．３ＭＰａになるまで圧縮され、温度が約６５℃の気体として分岐点７に送られる。

　分岐点７から凝縮器３に入った冷媒は、Ｄ－Ｄ’間を流れる冷却用の液体と熱交換して冷却され、圧力が２．３ＭＰａ、温度が３６℃の液体として減圧手段４の入力側に導入される。
　減圧手段４は、蒸発器５ｃから流出する冷媒が一定の過熱度を維持するように、制御部１２により膨張弁の開閉度が制御される。減圧手段４から蒸発器５ａに向けて流出する冷媒は、膨張弁の開閉度により状態が変化するが、概ね圧力が１．３ＭＰａで温度が約１９℃の、液体と気体が共存した気液二相（混合）状態となる。

　蒸発器５ａは、４００Ｗの冷却能力を発揮し、露光装置２０の制御回路系２１の冷却液を２５℃から２１℃に冷却する。蒸発器５ａ内においては、配管を通過する際の圧力損失が０．１ＭＰａ程度発生するため、冷媒の温度はここで約３℃低下する。減圧手段４の開閉度により変化するものの、蒸発器５ａ出口において、冷媒は概ね圧力が１．２ＭＰａ、温度が約１６℃の気液二相（混合）状態になり、蒸発器５ｂに流入する。

　蒸発器５ｂは、６００Ｗの冷却能力を発揮し、露光装置２０の駆動動力系２２の冷却液を２５℃から２０℃に冷却する。蒸発器５ｂ内においては、配管を通過する際の圧力損失が０．１ＭＰａ程度発生するため、冷媒の温度はここで約３℃低下する。減圧手段４の開閉度により変化するものの、蒸発器５ｂ出口において、冷媒は概ね圧力が１．１ＭＰａ、温度が約１４℃の気液二相（混合）状態になり、合流点８に流入する。
　合流点８において、ホットガス流路であるホットガスバイパス回路９から流入するホットガスと蒸発器５ｂから流入する冷媒は合流し、蒸発器５ｃに流れる。

　蒸発器５ｃは、最大５０００Ｗの冷却能力を発揮し、露光装置２０の光学ユニット２３の空冷エアおよびチャンバー内雰囲気（エア）を２５℃程度から２１．５℃に冷却する。冷却前のエアの温度は露光装置２０の動作状態により２５℃程度を中心に変動するが、冷却された後の温度を２１．５℃にするよう制御するため、蒸発器５ｃの冷却能力は常に一定の５０００Ｗに固定されるわけではなく、適宜調整される。すなわち、制御部１２は、蒸発器５ｃを通過した被冷却対象Ｃ’であるエアの温度を温度検知手段１０により検知して減圧手段１１の開閉量を制御し、エアの温度が２１．５℃になるようにホットガスバイパス回路９から合流するホットガスの量を調整する。蒸発器５ｃを通過した気液二相（混合）状態または気体状態の冷媒は、ホットガス（気化冷媒）との合流による圧損と、蒸発器内の配管を通過する際の圧力損失により、概ね圧力が０．８ＭＰａで温度が４℃の状態で蒸発器に流入して、蒸発器出口で過熱度１０℃で気化させるため、冷媒温度は１４℃状態となり、還流路１３を経由して圧縮機２の吸入口に還流する。

　本実施形態の冷却装置によれば、圧縮機と減圧手段を各一台直列に接続した下流に、３台の蒸発器を直列に配置し、最下流の蒸発器にはホットガスバイパスを経由したホットガスの流量を減圧手段で調整しながら冷媒と混合させて注入する構成としている。蒸発器が３台に対して減圧手段は２台であり、蒸発器を並列に接続した従来の冷却装置と比較して減圧手段の数が少なくすむため、小型でコスト的に低廉な装置が実現されている。もちろん、本実施形態の冷却装置の蒸発器の数は３台に限定されるわけではないので、より多くの蒸発器を直列にすれば、この効果は相対的にさらに大きくなる。

　最も大きな冷却能力を必要とし、しかも温度制御の精度が要求される蒸発器を最下流に配置する構成の本実施形態の冷却装置は、露光機をはじめとする各種の産業用機器において利用価値が高く、好適に用いることが出来る。
　最下流の蒸発器には熱交換量が最大の被冷却対象とするのが好ましい理由としては、最下流の蒸発器にはホットガス制御を行うため最適な温度に向けて高精度な冷却が可能になる。それにより加熱機が不要となり、消費電力削減効果を大きく得ることができる。
　また、熱交換量が最大の蒸発器を最下流に置くことで過熱度を大きくとることができ、冷媒を気化させやすくなり、多量の液相を吸入することによる圧縮機の故障を防ぐことができる。
　尚、例えば被冷却対象を２１℃以上で２５℃以下の範囲内の所定温度に温調する場合には、最下流の蒸発器を除いた蒸発器の熱交換量の合計が、最下流の蒸発器の熱交換量に対して１／９以上で１／４以下にするのが好適である。１／９未満の場合には、最下流の蒸発器の熱交換を担保するために上流側の蒸発器にも多くの冷媒が流れるため、上流側で被冷却対象を過度に冷却してしまう可能性が生じる。過度に冷却した被冷却対象をヒーターで加熱して温度調整する必要が生じれば、消費電力が増大するため好ましくないのである。逆に１／４を超える場合には、最下流の蒸発器の熱交換量に合わせた量の冷媒を流すと、上流の蒸発器で冷媒が気化してしまい、最下流の蒸発器に必要とする冷媒流量が供給できない懸念が生ずる。このため、１／９以上で１／４以下にするのが好ましいのである。

　また、本実施形態の冷却装置は、産業用機器に組み込んで実用する場合に、操作性に優れていると言える。例えば、露光機においては、調整や保守のために、駆動動力系の動作は停止するが、その他の部分は稼動状態に有り、その他の部分の温度やチャンバー内の雰囲気の温度およびクリーン度を一定に保持する必要が生じる場合がある。この時、駆動動力系の液冷の蒸発器では被冷却対象の温度は低いため熱交換を行う必要がないが、他の蒸発器は通常通り動作させる必要がある。従来の蒸発器を並列に配置した冷却装置では、駆動動力系の蒸発器に冷媒を流し続けると、液相を過多に含んだ状態の冷媒が圧縮機に還流し、液相を多量に吸入した圧縮機が故障する可能性がある。そのため、こうした調整や保守を行う場合には、熱源が停止した側の冷媒の流れを停止バルブで止めるように制御する必要があり、操作上不便であった。

　一方、本実施形態では、駆動動力系が停止して被冷却対象Ｂの温度が低い状態であったとしても、検知手段６により圧縮機に還流する冷媒の温度または圧力、あるいは温度と圧力は検知され、制御部１２が過熱度を監視して減圧手段４の開閉度を調整する。このため、本実施形態の冷却装置では、液相を過多に含んだ冷媒が圧縮機に還流することがないため、調整や保守を行う場合に格別の操作を必要としない。露光機の例に限らず、保守、点検、調整等のために、産業用機器の一部のみを停止するケースはよく発生するので、本実施形態の冷却装置は実用上の操作性に優れていると言える。
　尚、上記説明で挙げた圧力、温度、冷却能力等の数値は一例に過ぎず、本実施形態がこの例に限られないことは言うまでもない。

［実施形態２］
　実施形態１の冷却装置１では、蒸発器５ｂで冷却した被冷却対象Ｂ’に対しては温度制御を行わなかったが、実施形態２では被冷却対象Ｂ’が過冷却された状態で産業用機器を循環するのを防止するため、冷却後の被冷却対象を加熱する加熱手段を設けている。
　図４に、実施形態２の冷却装置３１の構成を示すが、実施形態１の冷却装置１と同様の要素については、同じ参照番号を付して説明を省略する。

　実施形態２は、前述の実施形態１に対して、合流点８より上流側の蒸発器５ｂの被冷却対象Ｂ’の経路に温度を検知する温度検知手段１４と、温度検知手段１４の下流側に被冷却対象Ｂ’を加熱する加熱手段１６を追加した点が異なる。加熱手段１６としては、例えば電気ヒーターを用いても良い。温度検知手段１４により検知した温度情報は、制御部１２に伝達され、制御部１２は被冷却対象Ｂ’が所定の温度になるよう加熱手段１６の加熱強度を制御する。図４では、蒸発器５ｂの被冷却対象の経路にのみ、温度検知手段１４や加熱手段１６を追加しているが、蒸発器５ａにも、同様の構成を追加しても良い。このように、本実施形態では、最下流の蒸発器以外の蒸発器で冷却された被冷却対象についても、高い精度での温度制御が可能である。

　本実施形態の冷却装置も、実施形態１と同様に、小型で温度調整の制御性がよく、コスト的に低廉でしかも操作性がよい冷却装置であり、半導体製造装置をはじめとする各種の産業用機器に好適に用いることが出来る。

［実施形態３］
　実施形態３は、減圧手段の構成と制御方法が実施形態１とは異なる。図５に、実施形態３の冷却装置４１の構成を示すが、実施形態１の冷却装置１と同様の要素については、同じ参照番号を付して説明を省略する。

　実施形態３では、凝縮器３の下流側に設ける減圧手段４４は、制御部によって開閉度を可変制御して圧力を調整するのではなく、一定の圧力に減圧する構成としている。
　一方、ホットガスバイパス回路に配置した減圧手段１１の開閉度は、最下流に位置する蒸発器５ｃで冷却された被冷却対象Ｃ’の温度と、蒸発器５ｃを流れた冷媒の過熱度に基づいて、制御部４２が以下のように制御する。

　図６は、制御シーケンスを説明するための模式的なブロック図である。
　まず、蒸発器５ｃで冷却された被冷却対象Ｃ’の温度が温度検知手段１０により検知され、制御部４２に伝達される。制御部４２は、伝達された温度情報に基づいて、比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算によりフィードバック制御を行って、被冷却対象Ｃ’が予め設定した目標温度になるように、蒸発器５ｃを通過した後の冷媒の目標過熱度を決定する。（マスター制御ループ系の温調ＰＩＤ演算１）。

　次に、検知手段６により検知された温度または圧力、或いは温度と圧力の情報が制御部４２に伝達され、制御部４２は検知された温度または圧力、あるいは温度と圧力に基づいて過熱度を算出する。制御部４２は、算出した過熱度に基づいて、比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算によりフィードバック制御を行って、冷媒がマスターループにより決定した目標過熱度となるように、減圧手段１１の開度を決定する。（スレーブ制御ループ系の温調ＰＩＤ演算２）。

　本実施形態では、検知した温度情報を制御パラメータとして、上述したカスケード制御を実施することにより、外乱の変化に対して、より早く応答して温度調節をすることが可能となる。
　本実施形態の冷却装置も、実施形態１と同様に、小型で温度調整の制御性がよく、コスト的に低廉でしかも操作性がよい冷却装置であり、半導体製造装置をはじめとする各種の産業用機器に好適に用いることが出来る。

［実施形態４］
　実施形態４は、冷却装置の蒸発器として、図７に示す構成の蒸発器７１を用いるものである。
　図７に示す蒸発器７１は、大量の熱交換を必要とせず、かつ、被冷却対象Ｆが液体の場合に好適に用いることができる。被冷却対象Ｆには、比熱の高い冷却用液体が好適である。７２は冷媒配管であるが、熱交換を行う部分は常に被冷却対象Ｆに浸っているように構成する必要がある。そこで、本実施形態では槽を設けて被冷却対象Ｆを一定量貯留している。冷媒配管７２の径は、蒸発器５ｃを通過する冷媒配管と同じ径とする。蒸発器５ｃは、他の蒸発器に比べ多大な量の熱交換を実施する蒸発器であることから、蒸発器５ｃを通過する冷媒配管を基準とするためである。また、冷媒配管７２が、被冷却対象Ｆに常に浸漬している部分の長さは、予め設定した熱交換量で熱交換することを可能にするための接触面積が得られる長さである。被冷却対象Ｆは、貯液槽７３に一時蓄えられ、熱源側の要求に応じて、不図示の送液ポンプで熱源側に必要量だけ送られ、残りは貯液槽７３に戻り貯留される。

　実施形態４の蒸発器は、実施形態１～実施形態３の冷却装置の上流側の蒸発器として好適に用いることができる。本実施形態の蒸発器を用いた場合にも、小型で温度調整の制御性がよく、コスト的に低廉でしかも操作性がよい冷却装置を実現でき、半導体製造装置をはじめとする各種の産業用機器に好適に用いることが出来る。

［実施形態５］
　実施形態５は、冷却装置内の蒸発器として、図８に示す構成の蒸発器８０を用いるものである。蒸発器を直列に配置する場合、最下流の蒸発器まで十分な冷却能力を担保するために十分な流量の冷媒を流すが、上流側の蒸発器では必要以上に被冷却対象を冷却してしまう場合がある。実施形態２のように加熱手段を設けて被冷却対象の過度の冷却を防止する方法もあるが、加熱手段による電力消費を低減するため、本実施形態は気液二相（混合）状態の冷媒の流路を工夫している。

　図８において、８５は熱交換部であり、流入側分岐点８１から分流した冷媒が流通する流路と、被冷却対象Ｇが流通する流路を含む。冷媒は、熱交換部８５において被冷却対象Ｇと熱交換を実施する。熱交換部８５の下流側に配置された８２は、冷媒流量を絞る絞り弁であり、絞り弁８２の下流側は合流点８３に接続している。また、冷媒の流入側分岐点８１から分岐した８６はバイパス流路で、バイパス流路８６は熱交換部８５を経由せずに合流点８３に接続している。また、合流点８３の下流側には逆流防止弁８４が配置されている。

　絞り弁８２の開度は、熱交換部８５において被冷却対象Ｇを冷却するのに必要な量の冷媒が流れるように予め調整されている。調整時には、熱交換部８５を通過する冷媒が潜熱状態を維持できるように、言い換えれば開度を絞りすぎて冷媒が気化しないように、留意する。

　本実施形態によれば、冷凍サイクル全体を流れる冷媒流量を十分大きく保ちながら、最適な冷却量に近づける制御を行うことができる。本実施形態は、熱交換部の熱交換量が大きくなりすぎてしまうのを防止したい場合に好適に用いることが可能である。

　実施形態５の蒸発器は、実施形態１～実施形態３の冷却装置の上流側の蒸発器として好適に用いることができる。本実施形態の蒸発器を用いた場合にも、小型で温度調整の制御性がよく、コスト的に低廉でしかも操作性がよい冷却装置を実現でき、半導体製造装置をはじめとする各種の産業用機器に好適に用いることが出来る。

［実施形態６］
　実施形態６は、図１の凝縮器３と減圧手段４を接続する配管途中に、過冷却装置を配置した冷却装置である。高温、高圧の冷媒は、凝縮器３で冷却され液化されるが、完全には液化されない。このため、さらに下流側に過冷却装置を配置し、気液二相（混合）状態の冷媒の液化比率を増大させる。液化比率が増大することで、冷却効率が向上するため、ホットガスバイパス回路を構成した冷却装置において、ホットガスバイパスによる消費電力の削減以上にさらに消費電力を削減できる。過冷却装置は、方式を特定するものでは無く、空冷、水冷あるいは冷媒の配管形状を利用したものでもよく、冷媒の液化率が向上するものであればよい。

［他の実施形態］
　本発明の冷却装置は、露光機や、露光機を備えた半導体製造装置や、露光機を備えたディスプレイ製造装置において、発熱部を冷却するための冷却装置として好適に実施することができるが、実施形態はこれらに限られない。光源や、加熱源や、動力部や、電気回路など、冷却を要する発熱量が異なる複数の発熱部を備えた各種の産業用機器において、発熱部を冷却するための冷却装置として好適に実施することが出来る。

　本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

　本発明は、例えば半導体製造用の露光機のように、冷却を要する複数の発熱部を備えた各種の産業用機器において、発熱部を冷却するための冷却装置として好適に実施することができる。特に、発熱量が異なる複数の発熱部を備えた各種の産業用機器において、好適に実施することができる。
　本発明は、上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

　１・・・冷却装置／２・・・圧縮機／３・・・凝縮器／４・・・減圧手段／５ａ～５ｃ・・・蒸発器／６・・・検知手段／７・・・分岐点／８・・・合流点／９・・・ホットガスバイパス回路／１０・・・温度検知手段／１１・・・減圧手段／１２・・・制御部／１３・・・還流路／１９・・・外部機器／２０・・・露光装置／２１・・・制御回路系／２２・・・駆動動力系／２３・・・光学ユニット／２４・・・雰囲気／２５、２６・・・ポンプ／２７・・・送風機／２８・・・チャンバー／３１・・・冷却装置／４１・・・冷却装置／４２・・・制御部／４４・・・減圧手段／７１・・・蒸発器／７２・・・冷媒配管／７３・・・貯液槽／８０・・・蒸発器／８１・・・流入側分岐点／８２・・・絞り弁／８３・・・合流点／８４・・・逆流防止弁／８５・・・熱交換部／８６・・・バイパス流路

Claims (14)

1. 　冷媒を圧縮する圧縮機と、
   　前記圧縮機の下流側に配置され、圧縮された冷媒を第一の流路と第二の流路に分流させる分岐点と、
   　前記第一の流路において前記分岐点の下流側に配置され、圧縮された冷媒を凝縮する凝縮器と、
   　前記凝縮器の下流側に配置され、凝縮された冷媒を減圧する第一の減圧器と、
   　前記第一の減圧器の下流側に配置され、各々が異なる被冷却対象を冷却するよう直列に接続された複数の蒸発器と、
   　前記第二の流路において前記分岐点の下流側に配置され、圧縮された冷媒を減圧する第二の減圧器と、
   　前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器の上流側に位置する合流点に、前記第二の減圧器の流出口を接続するホットガス流路と、
   　前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器から流出する冷媒を前記圧縮機に還流する還流路と、
   　前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器において冷却された被冷却対象の温度を検知する第一の温度検知手段と、
   　制御部と、を備え、
   　前記制御部は、前記第一の温度検知手段が検知した温度に基づき、前記第二の減圧器の開閉度を制御する、冷却装置。
2. 　前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器から流出する冷媒の温度および／または圧力を検知する検知手段を更に備え、
   　前記制御部は、前記検知手段が検知した温度および／または圧力に基づき、前記第一の減圧器の開閉度を制御する、
   　請求項１に記載の冷却装置。
3. 　前記制御部は、前記検知手段が検知した温度および／または圧力に基づき、前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器を流出する冷媒の過熱度が所定範囲内になるよう前記第一の減圧器の開閉度を制御する、
   　請求項２に記載の冷却装置。
4. 　前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器から流出する冷媒の温度および／または圧力を検知する検知手段を更に備え、
   　前記制御部は、前記第一の温度検知手段が検知した温度および前記検知手段が検知した温度および／または圧力に基づき、前記第二の減圧器の開閉度を制御する、
   　請求項１に記載の冷却装置。
5. 　前記制御部は、前記第一の温度検知手段が検知した温度をマスター制御ループ系の制御パラメータとし、前記検知手段が検知した温度および／または圧力をスレーブ制御ループ系の制御パラメータとして、前記第二の減圧器の開閉度をカスケード制御する、
   　請求項４に記載の冷却装置。
6. 　前記複数の蒸発器のうち少なくとも一つは、
   　熱交換部と、前記熱交換部の下流に設けた絞り弁と、前記絞り弁の下流に設けた逆流防止弁と、前記熱交換部の上流側と前記絞り弁の下流側を接続するバイパス流路を備えた蒸発器である、
   　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷却装置。
7. 　前記圧縮機と前記凝縮器の間の流路に、過冷却装置を設けた、
   　ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の冷却装置。
8. 　前記複数の蒸発器は、液体を被冷却対象とする蒸発器と、気体を被冷却対象とする蒸発器とを含む、
   　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の冷却装置。
9. 　前記液体を被冷却対象とする蒸発器は、前記液体を貯留する槽と、前記槽に貯留された前記液体に常に浸漬する冷媒配管を備える、
   　請求項８に記載の冷却装置。
10. 　前記複数の蒸発器の中の最下流の蒸発器は、気体を被冷却対象とする蒸発器である、
    　請求項１乃至９のいずれか１項に記載の冷却装置。
11. 　前記複数の蒸発器のうち、最下流の蒸発器の冷却能力が最も大きい、
    　請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の冷却装置。
12. 　前記複数の蒸発器のうち最下流の蒸発器を除いた蒸発器の熱交換量の合計が、前記最下流の蒸発器の熱交換量に対して１／９以上で１／４以下である、
    　請求項１１に記載の冷却装置。
13. 　請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の冷却装置と、発熱量が異なる複数の発熱部とを備え、前記冷却装置が前記複数の発熱部を冷却する、
    　露光装置。
14. 　請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の冷却装置と、発熱量が異なる複数の発熱部とを備え、前記冷却装置が前記複数の発熱部を冷却する、
    　産業用機器。
    
     

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