WO2024069757A1 - 加熱装置及びそれを備えた温度調整装置 - Google Patents

加熱装置及びそれを備えた温度調整装置 Download PDF

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WO2024069757A1
WO2024069757A1 PCT/JP2022/035954 JP2022035954W WO2024069757A1 WO 2024069757 A1 WO2024069757 A1 WO 2024069757A1 JP 2022035954 W JP2022035954 W JP 2022035954W WO 2024069757 A1 WO2024069757 A1 WO 2024069757A1
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WO
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temperature
circulating fluid
tube
heating
heating device
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PCT/JP2022/035954
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English (en)
French (fr)
Inventor
洋 向山
弘男 佐藤
Original Assignee
株式会社アドテックス
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications

Definitions

  • the present invention relates to a heating device and a temperature adjustment device equipped with the same, and in particular to a heating device used to adjust various manufacturing devices such as semiconductor manufacturing devices and various measuring devices to a predetermined temperature, and a temperature adjustment device equipped with the same.
  • a known device for performing such temperature control is a temperature adjustment device that has a circulation path through which a heat medium circulates, and uses the heat medium circulating through the circulation path to cool or heat a control target that requires temperature adjustment.
  • This type of temperature adjustment device is equipped with a chiller or the like of a vapor compression refrigeration cycle that cools the circulating heat medium, and a heating device or the like that heats the cooled heat medium.
  • Patent Document 1 discloses a hybrid chiller with area-specific parameter control used to control the temperature of various devices and processes, such as semiconductor manufacturing equipment.
  • the hybrid chiller with area-specific parameter control disclosed in this document has a circulating fluid circulation circuit that supplies circulating fluid cooled to a predetermined temperature by a refrigeration cycle to the controlled object, and a second circulating fluid circulation circuit that supplies circulating fluid cooled to a predetermined temperature by cooling water cooled in a cooling tower to the controlled object.
  • a heater that heats the circulating fluid is provided in the circulating fluid supply path that sends the circulating fluid to the controlled object.
  • the circulating fluid to be supplied to the controlled object is cooled by selectively using either a method of cooling the circulating fluid using a refrigeration cycle or a method of cooling the circulating fluid using cooling water from a cooling tower.
  • the circulating fluid cooled by the refrigeration cycle or cooling tower is heated to a predetermined temperature by a heating device such as a heater and supplied to the controlled object.
  • Patent Document 2 discloses a cooling device that includes a first circulation system that circulates a first refrigerant in a condenser via a pump, a heater, a throttle valve, and an evaporator so that the first refrigerant is returned to the condenser, and a second circulation system that includes a heat exchanger disposed in the condenser and circulates a second refrigerant that cools the first refrigerant.
  • the first circulation system cools the object to be cooled by the latent heat of vaporization of the first refrigerant boiling in the evaporator.
  • the heater of the first circulation system is, for example, an electric heater, and heats the first refrigerant so that it reaches a predetermined temperature.
  • the second circulation system has a compressor, a second condenser, an expansion valve, and a heat exchanger, and in the heat exchanger provided inside the condenser of the first circulation system, the latent heat of vaporization of the second refrigerant is used to cool and condense the first refrigerant.
  • a second heat exchanger is provided as a heater for the first circulation system, which heats the first refrigerant by condensing the second refrigerant.
  • the second refrigerant in the second circulation system is pressurized by a compressor and sent to the second heat exchanger, where it heats the first refrigerant in the first circulation system.
  • Patent Document 3 discloses a circulating cooling and heating device that cools and heats a circulating fluid supplied to a chamber of a plasma etching device, the circulating cooling and heating device comprising a tank for storing the circulating fluid, a pump for circulating the circulating fluid between the tank and the chamber, a heat exchanger for exchanging heat between the circulating fluid and cooling water, and a heating means for heating the circulating fluid in the tank.
  • the heating means disclosed in the document is composed of a sheathed heater. The circulating fluid is heated by the heat generated by this sheathed heater.
  • the heating devices and temperature adjustment devices of the above-mentioned conventional technologies have some areas that need improvement in order to shorten the time required for temperature adjustment to improve the efficiency of the production process in semiconductor manufacturing equipment and the like, as well as to reduce the amount of energy consumed for temperature adjustment to save energy.
  • the temperature of a controlled object such as manufacturing equipment may need to be changed in response to a processing process, measurement process, etc.
  • the set temperature may need to be changed to 130°C.
  • a sheathed heater is configured with a heating element made of nichrome wire or the like, covered with an insulator and a metal pipe, and the heat of the heating element is not directly transferred to the circulating fluid that is the object of heating. Therefore, it takes time for the metal pipe that transfers heat to the circulating fluid to be heated to the specified temperature after the amount of heat generated by the heating element is adjusted, resulting in a time loss until the temperature of the controlled object is adjusted to the accurate set temperature.
  • the temperature adjustment device of the prior art is configured to cool the circulating fluid in an evaporator in a refrigeration cycle circuit, and then heat the cooled circulating fluid to a predetermined temperature using a heating device such as a sheath heater.
  • a heating device such as a sheath heater.
  • Patent Document 2 discloses that the second refrigerant in the second circulation system, which cools the first refrigerant in the first circulation system using the latent heat of evaporation, heats the first refrigerant in the second heat exchanger using the latent heat of condensation.
  • the second refrigerant in the second circulation system which cools the first refrigerant in the first circulation system using the latent heat of evaporation, heats the first refrigerant in the second heat exchanger using the latent heat of condensation.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a heating device and a temperature adjustment device using the same that can heat a circulating fluid efficiently and with high precision, and can shorten the time required for temperature adjustment when changing the set temperature, etc., thereby improving productivity in semiconductor manufacturing, etc. Another object of the present invention is to provide a temperature adjustment device that can reduce energy consumption in semiconductor manufacturing and the like, thereby achieving energy conservation.
  • the heating device of the present invention is a heating device that heats a circulating fluid that adjusts the temperature of a controlled object, and is characterized in that it comprises a conductive tube through which the circulating fluid flows, and a primary coil wound around the outer circumference of the tube and through which an alternating current flows, and the tube generates heat through induction heating by the alternating current in the primary coil, thereby heating the circulating fluid with the tube.
  • the heating device of the present invention is a heating device that heats a circulating fluid that adjusts the temperature of a controlled object, and is characterized in that it comprises a tube through which the circulating fluid flows, a primary coil wound around the outer circumference of the tube and through which an alternating current flows, and a conductive heating element provided inside the area of the tube around which the primary coil is wound, and the heating element generates heat through induction heating caused by the alternating current in the primary coil, and the circulating fluid is heated by the heating element.
  • the temperature adjustment device of the present invention comprises a refrigeration cycle circuit in which a compression means, a radiator, a throttling means, and an evaporator are connected in sequence and in which a refrigerant circulates, and a circulating fluid circuit in which a circulation pump and a heating device are provided and in which a circulating fluid that adjusts the temperature of a controlled object circulates, and the circulating fluid circuit has a low-temperature path formed upstream of the heating device that can be opened and closed freely and in which the circulating fluid flows through the evaporator so as to be able to exchange heat with the refrigerant, and the heating device comprises a conductive tube through which the circulating fluid flows, and a primary coil wound around the outer periphery of the tube and through which an alternating current flows, and the tube generates heat due to induction heating caused by the alternating current of the primary coil, and the circulating fluid is heated by the tube.
  • the temperature adjustment device of the present invention comprises a refrigeration cycle circuit in which a compression means, a radiator, a throttling means, and an evaporator are connected in sequence and in which a refrigerant circulates, and a circulating fluid circuit in which a circulation pump and a heating device are provided and in which a circulating fluid that adjusts the temperature of a controlled object circulates.
  • the circulating fluid circuit has a low-temperature path formed upstream of the heating device that can be opened and closed freely and in which the circulating fluid flows through the evaporator so as to be able to exchange heat with the refrigerant.
  • the heating device comprises a tube through which the circulating fluid flows, a primary coil wound around the outer periphery of the tube and through which an alternating current flows, and a conductive heating element provided inside the area of the tube in which the primary coil is wound, and the heating element generates heat through induction heating by the alternating current of the primary coil, and the circulating fluid is heated by the heating element.
  • the heating device of the present invention comprises a conductive tube through which a circulating fluid flows, and a primary coil wound around the outer circumference of the tube through which an alternating current flows, and the tube heats up due to induction heating caused by the alternating current in the primary coil, thereby heating the circulating fluid through the tube.
  • This allows the heat from the tube, which is generated by electromagnetic induction, to be directly transferred to the circulating fluid, making it possible to efficiently heat the circulating fluid to an accurate temperature. Therefore, in semiconductor manufacturing equipment and the like, it is possible to shorten the time required to heat the circulating fluid for temperature control, and to carry out highly efficient processing processes with little time loss.
  • the heating device of the present invention may also comprise a tube through which a circulating fluid flows, a primary coil wound around the outer circumference of the tube and through which an alternating current flows, and a conductive heating element provided inside the region of the tube around which the primary coil is wound, and the heating element generates heat through induction heating caused by the alternating current of the primary coil, thereby heating the circulating fluid.
  • heat from the heating element can be directly transferred to the circulating fluid, and the circulating fluid can be efficiently heated to an accurate temperature. This reduces time loss in the manufacturing process and improves the productivity of semiconductor devices and the like. It also reduces direct heat dissipation from the heating element to the outside of the tube, allowing for highly efficient heating with little heat dissipation loss.
  • the heating element is formed from a conductor wire covered with an insulating member and having a relative magnetic permeability of 1 or more, and both ends of the conductor wire may be connected to form a conductive closed loop.
  • This allows a large amount of induced current to flow through the conductor wire by highly efficient electromagnetic induction, causing the conductor wire to heat up, and the circulating fluid to be efficiently heated to an accurate temperature.
  • the flow resistance of the circulating fluid near the heating element can be reduced, allowing the circulating fluid to circulate efficiently.
  • the heating element is a secondary coil wound into a coil shape, and the secondary coil may be configured with both ends of the coil-wound coil path connected to form a conductive closed circuit.
  • the secondary coil may have a portion wound so that the winding diameter of the coil path differs between the upstream and downstream sides of the tube. This creates favorable turbulence in the circulating fluid around the secondary coil, promoting heat exchange between the heating element and the circulating fluid. Therefore, the highly efficient heating by the secondary coil allows the circulating fluid to be efficiently and accurately adjusted to a temperature in a short time.
  • the secondary coil may be formed from at least one of an iron-based material, a nickel alloy-based material, and a ferritic stainless steel material. This makes it possible to obtain a secondary coil that is highly durable and safe, and also to concentrate the alternating magnetic field from the primary coil on the secondary coil made of a highly magnetic material, thereby increasing the efficiency of induction heating of the secondary coil. As a result, the circulating fluid can be heated efficiently.
  • the tube may be made of an austenitic stainless steel material. This makes it possible to obtain a tube with excellent corrosion resistance, durability, and safety, and also to concentrate the alternating magnetic field of the primary coil on the secondary coil, thereby increasing the efficiency of induction heating of the secondary coil.
  • the tube may have a curved tube section in the area around which the primary coil is wound, and the area around which the primary coil is wound may be formed into a circular, elliptical or track shape. This allows the magnetic flux generated by the alternating current of the primary coil to be concentrated inside the tube, increasing the magnetic flux density inside the tube and improving the efficiency of induction heating of the secondary coil.
  • the temperature adjustment device of the present invention comprises a refrigeration cycle circuit in which a compression means, a radiator, a throttling means, and an evaporator are connected in sequence and in which a refrigerant circulates, and a circulating fluid circuit in which a circulation pump and a heating device are provided and in which a circulating fluid that adjusts the temperature of a controlled object circulates.
  • the circulating fluid circuit has a low-temperature path formed upstream of the heating device that can be opened and closed freely, in which the circulating fluid flows through the evaporator so as to be able to exchange heat with the refrigerant.
  • the heating device comprises a conductive tube through which the circulating fluid flows, and a primary coil wound around the outer periphery of the tube and through which an alternating current flows.
  • the tube generates heat due to induction heating by the alternating current of the primary coil, and the circulating fluid is heated by the tube.
  • the temperature control device of the present invention includes a refrigeration cycle circuit in which a compression means, a radiator, a throttling means, and an evaporator are connected in sequence and a refrigerant circulates, and a circulating fluid circuit in which a circulating pump and a heating device are provided and a circulating fluid that adjusts the temperature of a controlled object circulates.
  • the circulating fluid circuit includes a low-temperature path that can be opened and closed upstream of the heating device, through which the circulating fluid flows through the evaporator so as to be able to exchange heat with the refrigerant.
  • the heating device includes a tube through which the circulating fluid flows, a primary coil wound around the outer periphery of the tube and through which an alternating current flows, and a conductive heating element provided inside the area of the tube around which the primary coil is wound.
  • the heating element may generate heat through induction heating by the alternating current of the primary coil, and the heating element may heat the circulating fluid.
  • the heating element is formed from a conductor wire covered with an insulating member and having a relative magnetic permeability of 1 or more, and both ends of the conductor wire may be connected to form a conductive closed loop. This allows an induced current to flow efficiently through the conductor wire, efficiently heating the circulating fluid to an accurate temperature. Also, the flow resistance of the circulating fluid in the vicinity of the heating element can be reduced, allowing the circulating fluid to circulate efficiently.
  • the heating element is a secondary coil wound into a coil shape, and both ends of the secondary coil are connected to form a conductive closed circuit. This allows the heating device to perform highly efficient induction heating with an optimal flow of induced current. In addition, the flow resistance of the circulating fluid near the heating element inside the tube can be reduced, allowing the circulating fluid to circulate efficiently.
  • the secondary coil may have a portion wound so that the winding diameter of the coil path differs between the upstream and downstream sides of the tube. This creates favorable turbulence in the circulating fluid around the secondary coil, promoting heat exchange between the heating element and the circulating fluid. Therefore, the highly efficient heating by the secondary coil allows the circulating fluid to be precisely adjusted to an accurate temperature efficiently in a short time.
  • the tube may have a curved tube section in the area around which the primary coil is wound, and the area around which the primary coil is wound may be formed in a circular, elliptical or track shape. This allows the magnetic flux generated by the alternating current of the primary coil to be concentrated inside the tube, increasing the magnetic flux density inside the tube and improving the efficiency of induction heating of the secondary coil.
  • a high-temperature path that can be opened and closed is formed in the circulating fluid circuit upstream of the heating device, in which the circulating fluid flows through the radiator so as to be able to exchange heat with the refrigerant, the refrigerant may be carbon dioxide, the circulating fluid may be heated at supercritical pressure in the radiator, and the high-temperature path may be provided with a high-temperature tank that stores the circulating fluid that has been heated by the refrigerant in the radiator.
  • the temperature adjustment device can use both cold and hot heat generated in the refrigeration cycle circuit to perform highly efficient temperature adjustment with little exhaust heat loss.
  • the high temperature path of the circulating fluid circuit is opened so that the circulating fluid flows through the high temperature path.
  • the circulating fluid heated by the radiator of the refrigeration cycle circuit is then heated to a predetermined temperature by the heating device of the circulating fluid circuit, and is supplied to the controlled object at an appropriate temperature so that the controlled object reaches an accurate set temperature.
  • the circulating fluid can be heated by utilizing the heat dissipated by the radiator of the refrigeration cycle circuit, thereby making it possible to perform highly efficient temperature adjustment by minimizing the energy consumed by the heating device of the circulating fluid circuit.
  • the refrigerant in the refrigeration cycle is carbon dioxide
  • the circulating fluid is heated at supercritical pressure in the radiator, so that the circulating fluid can be efficiently heated to a high temperature.
  • the circulating fluid can be heated by the radiator of the refrigeration cycle circuit to a high temperature range that was not possible with a conventional condenser such as a chiller using an HFC (hydrofluorocarbon) refrigerant, an HFO (hydrofluoroolefin) refrigerant, or a mixture of these refrigerants. Therefore, even when the set temperature is changed to a high temperature of, for example, 130°C due to a change in the processing process, the temperature of the circulating fluid can be raised to a high temperature in a short time. This reduces the time loss caused by temperature adjustment, and improves the productivity of semiconductor devices, etc.
  • the amount of heat generated by the heating device of the circulating fluid circuit can be reduced, thereby reducing energy consumption by the heating device and achieving energy conservation.
  • the high-temperature path is provided with a high-temperature tank that stores circulating fluid that has been heated to a coolant by a radiator.
  • a high-temperature tank that stores circulating fluid that has been heated to a coolant by a radiator.
  • FIG. 1 is a diagram showing a temperature adjustment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a heating device of the temperature adjustment device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing another example of a heating device of a temperature adjustment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing another example of a heating device of a temperature adjustment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing another example of a heating device of a temperature adjustment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing another example of a heating device of a temperature adjustment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing a temperature adjustment device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a heating device of the temperature adjustment device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing another example of a heating device of a temperature adjustment device according
  • FIG. 7 is a diagram showing a control system of the temperature adjustment device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram showing a flow path of the circulating fluid in the temperature adjustment device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram showing a flow path of the circulating fluid in the temperature adjustment device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing a flow path of the circulating fluid in the temperature adjustment device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a flow path of the circulating fluid in the temperature adjustment device according to the embodiment of the present invention.
  • the temperature control device 1 according to an embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings as appropriate. Note that the illustrated embodiment does not limit the present invention, but merely shows one example of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing the schematic configuration of a temperature adjustment device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the temperature adjustment device 1 is a device used to adjust a controlled object 46, such as various manufacturing devices such as semiconductor manufacturing devices or various measuring devices used in a semiconductor manufacturing process, to a predetermined temperature according to the process.
  • the temperature adjustment device 1 includes a refrigeration cycle circuit 10 that forms a vapor compression refrigeration cycle and uses a refrigerant to cool or heat a circulating fluid, and a circulating fluid circuit 20 that circulates the circulating fluid cooled or heated in the refrigeration cycle circuit 10 to a controlled object 46, thereby adjusting the temperature of the controlled object 46.
  • the circulating fluid circulating through the circulating fluid circuit 20 contains, for example, water.
  • the circulating fluid is cooled or heated by the refrigerant in the refrigeration cycle circuit 10, heated to a suitable temperature by the heating device 26 in the circulating fluid circuit 20, and supplied to a controlled object 46 such as a semiconductor manufacturing device.
  • a controlled object 46 such as a semiconductor manufacturing device.
  • the controlled object 46 is cooled or heated by the circulating fluid adjusted to a suitable temperature, and is controlled to a suitable temperature suited to each manufacturing process, measurement process, etc.
  • the refrigeration cycle circuit 10 is formed by sequentially connecting a compressor 11 as a compression means, a radiator 12, a second radiator 13, an expansion valve 14 as a throttling means, and an evaporator 15 via a refrigerant pipe 17.
  • the refrigeration cycle circuit 10 forms a closed circuit in which the refrigerant circulates to operate the vapor compression refrigeration cycle.
  • the compressor 11 is a compression means that compresses the refrigerant and sends it to the radiator 12.
  • various types of compression devices such as rotary type, scroll type, reciprocating type, screw type, and others can be used.
  • the rotary compressor 11 is suitable for constructing a compact temperature control device 1 with a small cooling capacity.
  • the compressor 11 may also be of a two-stage compression type.
  • the use of a two-stage compression type as the compressor 11 is suitable for compressing the high-pressure carbon dioxide refrigerant.
  • the radiator 12 is a heat exchanger in which heat is exchanged between the high-pressure, high-temperature refrigerant compressed by the compressor 11 and the circulating liquid in the circulating liquid circuit 20.
  • the radiator 12 is, for example, a gas cooler.
  • the radiator 12 may also be a condenser in which the refrigerant condenses.
  • the radiator 12 is, for example, provided inside the high-temperature tank 39 in which the circulating liquid is stored, and has multiple tubes through which the refrigerant flows, although these are not shown.
  • the tubes are, for example, steel pipes, etc.
  • the tubes of the radiator 12 have an inlet at the top and an outlet at the bottom so that the refrigerant flows from top to bottom, and are wound, for example, in a generally spiral shape and provided inside the high-temperature tank 39. With this configuration, the refrigerant flowing through the radiator 12 can efficiently heat the circulating liquid in the high-temperature tank 39.
  • the circulating fluid in the high-temperature tank 39 can be heated by the refrigerant flowing through the radiator 12.
  • the circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 can be heated to a high temperature by the radiator 12 without the need to provide a circulation pump or the like to flow the circulating fluid through the high-temperature path 38 of the circulating fluid circuit 20 in order to heat the circulating fluid by the radiator 12.
  • the refrigeration cycle circuit 10 when the refrigeration cycle circuit 10 is operating to cool the circulating liquid using the latent heat of evaporation of the evaporator 15, the circulating liquid in the high-temperature tank 39 can be heated to a high temperature by effectively using the exhaust heat from the radiator 12 without circulating the circulating liquid through the high-temperature path 38.
  • the radiator 12 may be provided outside the high-temperature tank 39 as long as the refrigerant can exchange heat with the circulating liquid.
  • the radiator 12 may be a plate type, a shell-and-tube type, a double-tube type, or any other type of heat exchanger.
  • the second radiator 13 is a heat exchanger that releases heat from the refrigerant to the outside, and is provided downstream of the radiator 12.
  • the second radiator 13 is, for example, an air-cooled heat exchanger in which air that exchanges heat with the refrigerant is sent by a blower fan 16.
  • the second radiator 13 may be a fin-and-tube heat exchanger. That is, the second radiator 13 has multiple tubes, such as copper tubes, through which the refrigerant flows, and multiple aluminum fins that are arranged in parallel, and the tubes are inserted into holes formed in the fins.
  • the second radiator 13 may be a water-cooled heat exchanger.
  • the second radiator 13 may be a plate type, a shell-and-tube type, a double-tube type, or any other type of heat exchanger.
  • a plate type heat exchanger is preferable because it has high heat exchange efficiency and allows the second radiator 13 to be made compact.
  • the second radiator 13 is provided downstream of the radiator 12, so that the refrigerant whose temperature has been lowered by heating the circulating fluid in the radiator 12 can be further cooled to a lower temperature. Even when the circulating fluid in the high-temperature tank 39 becomes hot and there is no need to heat the circulating fluid with the refrigerant flowing through the radiator 12, the high-temperature refrigerant that has passed through the radiator 12 can be cooled by heat dissipation in the second radiator 13.
  • the cooling capacity of the refrigeration cycle circuit 10 i.e., the capacity to cool the circulating fluid by utilizing the latent heat of evaporation of the refrigerant in the evaporator 15, is exerted.
  • the expansion valve 14 is a throttling means that reduces the pressure of the high-pressure refrigerant that has passed through the radiator 12 and the second radiator 13 and has become cold.
  • the expansion valve 14 also has the function of adjusting the flow of the refrigerant.
  • an electronic expansion valve, a thermostatic expansion valve, a capillary tube, or other types of throttling means can be used as the expansion valve 14. By using an electronic expansion valve as the expansion valve 14, the cooling and heating of the circulating fluid by the refrigeration cycle circuit 10 can be controlled with high performance.
  • the evaporator 15 is a heat exchanger in which low-pressure liquid refrigerant evaporates and cools the circulating liquid by the latent heat of evaporation.
  • various types of heat exchangers such as plate type, double tube type, tube contact type, shell and tube type, and others can be used.
  • plate-type heat exchangers are preferred because they have high heat exchange efficiency and allow the evaporator 15 to be made compact.
  • double-tube and tube-contact types are excellent in that they are easy to manufacture and process, and suitable pressure resistance can be easily obtained.
  • the refrigerant pipe 17 downstream of the evaporator 15 is connected to the compressor 11 via an accumulator (not shown).
  • an accumulator not shown.
  • the refrigerant used in the refrigeration cycle circuit 10 is, for example, carbon dioxide.
  • the carbon dioxide refrigerant heats the circulating liquid at supercritical pressure in the radiator 12, which acts as a gas cooler. This allows the circulating liquid to be efficiently heated to a high temperature.
  • the circulating liquid can be heated by the radiator 12 of the refrigeration cycle circuit 10 to high temperatures that were not possible with conventional condensers such as chillers that use HFC refrigerants, HFO refrigerants, or mixed refrigerants.
  • the temperature adjustment device 1 can raise the temperature of the circulating fluid to a high temperature in a short time, even when the set temperature is changed to a high temperature of 130° C. due to a change in the processing step or the like. Therefore, the temperature adjustment device 1 can reduce the time loss caused by temperature adjustment and improve the productivity of semiconductor devices, etc. In addition, since the amount of heat generated by the heating device 26 of the circulating fluid circuit 20 can be reduced, the energy consumption by the heating device 26 can be reduced, and energy saving in semiconductor manufacturing, etc. can be achieved. In addition, the temperature adjustment device 1 may use, as the refrigerant in the refrigeration cycle circuit 10, an HFC refrigerant, an HFO refrigerant, a mixed refrigerant, or the like.
  • the refrigeration cycle circuit 10 is also provided with a refrigerant temperature sensor 18 that measures the temperature of the refrigerant, a pressure sensor 19 that measures the pressure of the refrigerant, etc.
  • the control device 43 controls the rotation speed of the compressor 11 and the opening degree of the expansion valve 14 based on the set temperature of the controlled object 46, the measured temperature information, the refrigerant temperature measured by the refrigerant temperature sensor 18, the refrigerant pressure measured by the pressure sensor 19, etc.
  • the circulating fluid circuit 20 constitutes a closed circuit through which the circulating fluid that cools and heats the controlled object 46 circulates.
  • the circulating fluid circuit 20 has a plurality of circuit modules 21 that are connected to the controlled object 46 and circulate the circulating fluid, a low-temperature path 31 to which the circuit modules 21 are connected and through which the circulating fluid flows through the evaporator 15 so as to be able to exchange heat with the refrigerant, and a high-temperature path 38 to which the circuit modules 21 are connected and through which the circulating fluid flows through the radiator 12 so as to be able to exchange heat with the refrigerant.
  • the circuit module 21 is a device that supplies circulating fluid to the controlled object 46 to adjust the temperature of the controlled object 46.
  • a basic circulation path 22 is formed, which is a basic closed circuit that circulates the circulating fluid.
  • the circuit module 21 is formed with the basic circulation path 22, which is a closed circuit that connects a feed path 23 that supplies circulating fluid to the controlled object 46, such as a semiconductor manufacturing device, and a return path 24 that returns the circulating fluid that has cooled or heated the controlled object 46.
  • each circuit module 21 is provided with a circulation pump 25 that sends the circulating fluid to the control object 46, a heating device 26 that heats the circulating fluid supplied to the control object 46 to adjust the temperature, and a temperature sensor 27 that measures the temperature of the circulating fluid heated by the heating device 26.
  • the heating device 26 is an induction heating type heating means for heating the circulating fluid. The details of the heating device 26 will be described later.
  • An induction heating power source 48 is connected to the heating device 26.
  • the induction heating power supply 48 is a power supply device that supplies power to the heating device 26.
  • An alternating current flows through the heating device 26 due to the power from the induction heating power supply 48, and the circulating fluid is heated by induction heating due to the alternating current.
  • the temperature sensor 27 is provided in the feed path 23 downstream of the heating device 26, and measures the temperature of the circulating fluid heated by the heating device 26.
  • the circulation pump 25, the heating device 26, and the temperature sensor 27 are connected to the control device 43.
  • the control device 43 controls the circulation pump 25 and the heating device 26 so that the temperature of the circulating fluid measured by the temperature sensor 27 becomes a predetermined temperature. This controls the temperature of the controlled object 46 to become the set temperature.
  • the control device 43 controls the output of the induction heating power supply 48, i.e., the power supplied to the heating device 26, and controls the heating of the circulating fluid by the heating device 26.
  • each circuit module 21 is provided with an electromagnetic valve 28 that opens and closes the feed path 23.
  • the electromagnetic valve 28 can be closed to stop the flow of the circulating fluid.
  • the low-temperature path 31 is a path for cooling the circulating fluid by the refrigeration cycle circuit 10.
  • the inlet side of the low-temperature path 31 is connected to the return path 24 side of the circuit module 21, and the outlet side is connected to the feed path 23 side of the circuit module 21, so as to form a bypass path for the circulating fluid in the basic circulation path 22.
  • the circulating liquid circulating through the basic circulation path 22 of the circuit module 21 can flow into the low-temperature path 31 at the branch point that serves as the inlet of the low-temperature path 31.
  • the circulating liquid can also flow to the feed path 23 side without flowing into the low-temperature path 31.
  • a mixing valve 30 is provided at the confluence of the outlet of the low-temperature path 31 and the basic circulation path 22.
  • the mixing valve 30 is a valve that mixes the circulating fluid that has passed through the low-temperature path 31 with the circulating fluid that is supplied to the control target 46 via the feed path 23 of the circuit module 21.
  • the low-temperature path 31 can be opened and closed freely and the flow rate can be adjusted freely by the mixing valve 30.
  • the mixing valve 30 By adjusting the mixing valve 30, the circulating fluid returning from the controlled object 46 can be mixed with the circulating fluid cooled by the evaporation of the refrigerant in the evaporator 15 of the refrigeration cycle circuit 10 to operate at a suitable temperature.
  • the low-temperature path 31 is also provided with a low-temperature tank 32 for storing the circulating liquid, a low-temperature pump 33 for sending the circulating liquid, and a low-temperature circulation path 34 for returning the circulating liquid to the inlet side of the low-temperature path 31 without sending it to the control object 46.
  • a low-temperature tank 32 is provided on the inlet side of the low-temperature path 31, a low-temperature pump 33 is provided downstream of the low-temperature tank 32, and an evaporator 15 is provided downstream of the low-temperature pump 33.
  • the low-temperature circulation path 34 may be provided to connect a system branch pipe 36 provided downstream of the evaporator 15 of the low-temperature path 31 to the low-temperature tank 32 provided on the inlet side of the low-temperature path 31.
  • the low-temperature tank 32 is provided with a low-temperature sensor 37 that measures the temperature of the circulating fluid in the low-temperature tank 32.
  • the low-temperature pump 33 and the low-temperature sensor 37 are connected to a control device 43.
  • the control device 43 may use the temperature information of the circulating fluid measured by the low-temperature sensor 37 for calculations to control the operation of the circulating pump 25 and the low-temperature pump 33, and the adjustment of the opening of the mixing valve 30, etc.
  • the low-temperature path 31 is provided with a low-temperature tank 32, a low-temperature pump 33 that sends circulating liquid, and a low-temperature circulation path 34 that returns the circulating liquid from the outlet side to the inlet side of the low-temperature path 31. Therefore, even when the circulating liquid of the low-temperature path 31 is not being used as the circulating liquid supplied to the controlled object 46, the circulating liquid of the low-temperature path 31 can be circulated and cooled by the refrigerant flowing through the evaporator 15.
  • the circulating fluid cooled by the refrigerant is then stored in the low-temperature tank 32, and the stored low-temperature circulating fluid can be supplied to the circulating fluid circuit 20 as needed.
  • the low-temperature circulating fluid stored in the cold/warm tank can be supplied to the circulating fluid circuit 20.
  • the low-temperature path 31 is provided with the low-temperature tank 32, the low-temperature pump 33, and the low-temperature circulation path 34. Therefore, even if the circulating liquid in the low-temperature path 31 is not being supplied to the control object 46, the refrigeration cycle circuit 10 can be operated to heat the circulating liquid in the high-temperature path 38 with the refrigerant in the radiator 12.
  • the high-temperature path 38 is a path for heating the circulating fluid by the refrigeration cycle circuit 10.
  • the inlet side of the high-temperature path 38 is connected to the return path 24 side of the circuit module 21, and the outlet side is connected to the feed path 23 side of the circuit module 21, so as to form a bypass path for the circulating fluid in the basic circulation path 22.
  • a three-way valve 29 is provided in the basic circulation path 22 of the circulating fluid circuit 20 upstream of the branch point to the low-temperature path 31.
  • the three-way valve 29 is a valve that switches whether or not the circulating fluid returning from the control target 46 is sent to the high-temperature path 38.
  • the high-temperature path 38 can be opened and closed freely and the flow rate can be adjusted freely by the three-way valve 29.
  • the inlet of the high-temperature path 38 is connected to the three-way valve 29.
  • the outlet of the high-temperature path 38 is connected downstream of the three-way valve 29 of the basic circulation path 22 and upstream of the branch point to the low-temperature path 31.
  • the high-temperature path 38 is provided with a high-temperature tank 39 that stores circulating fluid heated to a high temperature, and a high-temperature sensor 42 that measures the temperature of the circulating fluid in the high-temperature tank 39. Inside the high-temperature tank 39, the radiator 12 of the refrigeration cycle circuit 10 is provided so that the circulating fluid can be heated by the refrigerant.
  • the high-temperature tank 39 has a circulating fluid inlet formed at the bottom and a circulating fluid outlet formed at the top. This allows the high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 to be efficiently supplied to the control object 46.
  • the low-temperature circulating fluid returning from the controlled object 46 flows into the high-temperature path 38 via the three-way valve 29, and flows into the high-temperature tank 39 from an inlet formed at the bottom of the high-temperature tank 39.
  • the high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 is then sent to the basic circulation path 22 from an outlet formed at the top of the high-temperature tank 39, and is supplied to the controlled object 46.
  • the temperature control device 1 is equipped with a high-temperature tank 39, and can send high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 to the basic circulation path 22. Therefore, for example, when changing the set temperature of the control object 46 due to a change in the processing process or the like, and significantly increasing the temperature of the circulating fluid, a highly efficient temperature change is possible.
  • the high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 is supplied to the circulating fluid circuit 20, and the temperature of the circulating fluid circulating through the circulating fluid circuit 20 can be rapidly raised to a predetermined temperature in a short period of time. Therefore, the temperature adjustment device 1 can significantly shorten the time required to change the set temperature, reducing the time loss associated with changing the temperature before starting a processing process, measurement process, etc.
  • the control device 43 may use temperature information of the circulating fluid in the high-temperature tank 39 measured by the high-temperature sensor 42 in the calculation to control the opening and closing of the three-way valve 29. This makes it possible to control the flow of the high-temperature path 38 according to the amount of high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39. This prevents low-temperature circulating fluid from being sent to the basic circulation path 22 when there is a shortage of high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39, thereby preventing time loss in changing the temperature.
  • the low-temperature path 31 and the high-temperature path 38 are provided with system integration flow pipes 35, 40 and system branch pipes 36, 41 that connect the multiple circuit modules 21.
  • the low-temperature path 31 is provided with a system integration flow pipe 35 on the inlet side and a system branch pipe 36 on the outlet side.
  • the high-temperature path 38 is provided with a system integration flow pipe 40 on the inlet side and a system branch pipe 41 on the outlet side.
  • circuit modules 21, for example, two to eight or more circuit modules 21, to be connected to the low-temperature path 31 and the high-temperature path 38 via the system integration flow pipes 35, 40 and the system branch pipes 36, 41.
  • Each of the multiple circuit modules 21 has a circulation pump 25 and a heating device 26, and can circulate the circulating fluid to a different control object 46. This allows a single refrigeration cycle circuit 10 to be used to efficiently cool and heat multiple control objects 46, such as processing locations and measurement locations, and adjust each control object 46 to an appropriate temperature.
  • Fig. 2 is a diagram showing a schematic configuration of heating device 26, and shows a cross section of tube 55.
  • the arrows indicate the flow direction of the circulating fluid.
  • heating device 26 has tube 55 through which the circulating fluid flows, and primary coil 50 wound around the outer periphery of tube 55.
  • the pipe 55 is provided in the feed path 23 (see FIG. 1) of the basic circulation path 22 (see FIG. 1), and serves as a flow path through which the circulating liquid flows.
  • the primary coil 50 generates an alternating magnetic field by an alternating current, is made of a conductor coated with an insulating material, and is wound in a generally spiral shape around the outer periphery of the tube 55.
  • the primary coil 50 forms a coil-shaped conductive path around the outer periphery of the tube 55, and both ends are connected to the induction heating power source 48 (see FIG. 1).
  • the tube 55 is formed, for example, from a conductive material. As a result, the tube 55 generates heat through induction heating caused by the alternating current of the primary coil 50, and the circulating fluid flowing inside the tube 55 can be heated.
  • a magnetic field is generated by the alternating current flowing through the primary coil 50, and eddy currents flow through the tube 55 to cancel out this magnetic field. Since the tube 55 has electrical resistance, the eddy currents flowing through the tube 55 generate Joule heat, which heats the circulating fluid flowing through the tube 55.
  • FIG. 3 is a diagram showing another example of the heating device 26, showing a cross section of a tube 55.
  • the arrows indicate the flow direction of the circulating fluid.
  • a heating tube 52 as a heating element 51 made of a conductive material may be provided inside the tube 55, inside the area where the primary coil 50 is wound.
  • the heating tube 52 is a roughly cylindrical member that is arranged roughly coaxially with the tube 55. That is, the tube 55 and the roughly cylindrical heating tube 52 arranged inside it form a roughly double-tube shape.
  • the heating tube 52 generates heat through induction heating by the alternating current of the primary coil 50, and the circulating fluid can be directly heated by the high-temperature heating tube 52.
  • the heating tube 52 provided inside the tube 55 may be a member formed from a conductive material such as copper, iron, stainless steel, or other metal.
  • the material forming the heating tube 52 is an iron-based material with a specific inductive coefficient of 1 or more, a nickel alloy-based material, a ferritic stainless steel material, or the like. This allows for highly efficient induction heating.
  • the shape of the heating tube 52 is not limited to a cylindrical shape.
  • the material constituting the heating tube 52 may be, for example, a metal plate with through holes formed therein, such as punched metal. This allows the holes formed in the heating tube 52 to be used as a flow path for the circulating fluid to pass through. With a heating tube 52 of this type, a heating element 51 is obtained that has low flow resistance for the circulating fluid and can efficiently heat the circulating fluid.
  • FIG. 4 is a diagram showing yet another example of the heating device 26, showing a cross section of a tube 55.
  • the arrows indicate the flow direction of the circulating fluid.
  • the heating element 51 provided inside the tube 55 may be a heating loop 53 in the form of a closed loop formed from a conductive wire.
  • the conductor that forms the heating loop 53 has both ends connected to form a conductive closed circuit. This configuration allows an induced current to flow efficiently through the heating element 51, improving the efficiency of induction heating of the heating element 51. It also reduces the flow resistance of the circulating fluid near the heating element 51, allowing the circulating fluid to circulate efficiently.
  • the heating loop 53 may also be formed from a conductor such as an iron wire, a nickel alloy wire, or a ferritic stainless steel wire, each of which has a relative magnetic permeability of 1 or more.
  • a conductor such as an iron wire, a nickel alloy wire, or a ferritic stainless steel wire, each of which has a relative magnetic permeability of 1 or more.
  • the conductor that forms the heating loop 53 is covered, for example, with enamel, a glass tube, a resin material, or the like.
  • the conductor is coated or covered with a resin material or the like. This prevents the induced current from leaking outside the conductor, and allows for safe and highly efficient induction heating.
  • FIG. 5 is a diagram showing yet another example of the heating device 26, showing a cross section of a tube 55.
  • the arrows indicate the flow direction of the circulating fluid.
  • a secondary coil 54 made of a conductive material may be provided inside the tube 55 as the heating element 51.
  • the secondary coil 54 is a member in which a conductive wire or the like is wound into a coil shape.
  • the secondary coil 54 which is the heating element 51, heats up due to induction heating caused by the alternating current in the primary coil 50, and the heat from the high-temperature secondary coil 54 is directly transferred to the circulating liquid, allowing the circulating liquid to be efficiently heated to an accurate temperature. This reduces time loss in the manufacturing process and improves the productivity of semiconductor devices, etc.
  • the heating elements 51 such as the heating tube 52 (see FIG. 3), heating loop 53 (see FIG. 4) and secondary coil 54, are fixed to the inner circumference of the tube 55, for example, by an insulating support member (not shown). That is, the heating elements 51, such as the secondary coil 54, are not in contact with the primary coil 50 through which the alternating current flows, and are provided inside the tube 55 through which the circulating liquid flows. This reduces direct heat dissipation from the heating elements 51, such as the secondary coil 54, to the outside of the tube 55, enabling highly efficient heating with little heat dissipation loss.
  • the heating device 26 is configured such that the heating element 51, such as the secondary coil 54, is provided in a non-contact manner with the primary coil 50 to which the induction heating power supply 48 (see FIG. 1) is connected and to which AC power is supplied, and therefore is excellent in terms of safety and reliability against electric leakage, damage to electrical wiring, etc. Furthermore, by employing the heating element 51 wound in a coil shape in this manner, the flow resistance of the circulating fluid in the heating element 51 is reduced, enabling the circulating fluid to circulate with high efficiency.
  • the heating element 51 such as the secondary coil 54
  • the secondary coil 54 as the heating element 51 is wound in a coil shape, and both ends of the coil path are connected to form a conductive closed circuit. This allows for highly efficient induction heating with an optimal flow of induced current.
  • the secondary coil 54 may also have a portion where the coil path has a different winding diameter on the upstream side and downstream side of the tube 55.
  • the secondary coil 54 may be formed with a large diameter winding portion where the coil path has a large winding diameter, and a small diameter winding portion where the coil path has a small winding diameter.
  • the secondary coil 54 may be wound in a generally conical or cup shape so that the coil winding diameter gradually decreases. This configuration prevents the circulating fluid flowing through the tube 55 from passing through a position distant from the secondary coil 54 as the heating element 51, and the circulating fluid passes through the secondary coil 54 close to the heating portion of the secondary coil 54.
  • the circulating water is prevented from passing through the secondary coil 54 at a low temperature without being heated by the secondary coil 54, and the circulating liquid passing through the secondary coil 54 is heated appropriately by approaching the secondary coil 54. Therefore, the secondary coil 54 can efficiently heat the circulating liquid to an accurate temperature.
  • the secondary coil 54 wound in a generally conical spiral shape, may be arranged so that the small diameter wound portion with a small winding diameter is on the upstream side of the flow of the circulating fluid and the large diameter wound portion with a large winding diameter is on the downstream side, as shown in FIG. 5. Conversely, the secondary coil 54 may be arranged so that the large diameter wound portion with a large winding diameter is on the upstream side of the pipe 55 and the small diameter wound portion with a small winding diameter is on the downstream side, although this is not shown.
  • the secondary coil 54 may be formed from a ferromagnetic material having a relative permeability of 1 or more, preferably much greater than 1, similar to the heating loop 53 described above.
  • the secondary coil 54 may be formed from at least one of a ferritic stainless steel material, an iron-based material, a nickel alloy-based material, etc.
  • Ferritic stainless steel materials provide secondary coils 54 with excellent corrosion resistance, durability, and safety, and can concentrate the alternating magnetic field from the primary coil 50 on the secondary coil 54, which is made of a highly magnetic material, to increase the efficiency of induction heating of the secondary coil 54. This allows the circulating fluid to be heated efficiently. In addition to being able to achieve high efficiency induction heating, iron-based materials also have the advantage of being able to reduce the production costs of the secondary coil 54. Furthermore, the secondary coil 54 may be covered with an insulating material, similar to the heating loop 53 described above.
  • the tube 55 may also be made of a non-magnetic material, such as an austenitic stainless steel material. This makes it possible to obtain a tube 55 that is highly corrosion-resistant, durable, and safe, and also to concentrate the alternating magnetic field of the primary coil 50 on the secondary coil 54, thereby increasing the efficiency of induction heating of the secondary coil 54.
  • a non-magnetic material such as an austenitic stainless steel material.
  • FIG. 6 is a diagram showing the general configuration of heating device 26, and shows an example of the general form of tube 55 and primary coil 50.
  • tube 55 constituting heating device 26 has a curved tube section 56 in the area around which primary coil 50 is wound, and the area around which primary coil 50 is wound may be formed into a substantially circular, elliptical or track shape. This allows magnetic flux generated by the alternating current of primary coil 50 to be concentrated inside tube 55, increasing the magnetic flux density inside tube 55.
  • the curved tube section 56 in the tube 55, one end of the area around which the primary coil 50 of the tube 55 is wound is brought into close proximity to the other end.
  • the magnetic flux generated outside the tube 55 is generated at a short distance so as to connect the vicinity of one end and the vicinity of the other end that are close to each other. Therefore, it is possible to reduce the magnetic flux along the outer periphery of the tube 55 and concentrate the alternating magnetic flux inside the tube 55. Then, it is possible to increase the eddy current generated in the heating elements 51 such as the heating tube 52 (see FIG. 3), the heating loop 53 (see FIG. 4), and the secondary coil 54 (see FIG. 5), thereby improving the efficiency of induction heating.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the control system of the temperature adjustment device 1.
  • the temperature adjustment device 1 is equipped with a control device 43 that controls each of the components.
  • the control device 43 is a control means equipped with a microprocessor, and controls the temperature of the controlled object 46 (see FIG. 1) by executing a predetermined calculation.
  • Sensors such as a refrigerant temperature sensor 18 that detects the temperature of the refrigerant, a pressure sensor 19 that detects the pressure of the refrigerant, a temperature sensor 27 that detects the temperature of the circulating fluid supplied to the controlled object 46, a low-temperature sensor 37 that detects the temperature of the circulating fluid in the low-temperature path 31, a high-temperature sensor 42 that detects the temperature of the circulating fluid in the high-temperature path 38, and a temperature sensor 47 that detects the temperature of the controlled object 46 are connected to the input of the control device 43.
  • a refrigerant temperature sensor 18 that detects the temperature of the refrigerant
  • a pressure sensor 19 that detects the pressure of the refrigerant
  • a temperature sensor 27 that detects the temperature of the circulating fluid supplied to the controlled object 46
  • a low-temperature sensor 37 that detects the temperature of the circulating fluid in the low-temperature path 31
  • a high-temperature sensor 42 that detects the temperature of the circulating
  • the output of the control device 43 is connected to the compressor 11, expansion valve 14, and blower fan 16 of the refrigeration cycle circuit 10, as well as the circulation pump 25, heating device 26, solenoid valve 28, three-way valve 29, mixing valve 30, and low-temperature pump 33 of the circulating liquid circuit 20.
  • the control device 43 is also provided with an input device 44 for inputting the set temperature of the controlled object 46 and other operating information, and a display device 45 for displaying temperature information of each part and other control information.
  • the control device 43 may also be connected to other sensors, information input devices, display devices, controlled devices, recording devices, etc. (not shown).
  • the control device 43 performs a predetermined calculation based on input from the refrigerant temperature sensor 18, pressure sensor 19, temperature sensor 27, low temperature sensor 37, high temperature sensor 42, temperature sensor 47, and input device 44, and controls the compressor 11, expansion valve 14, blower fan 16, circulation pump 25, heating device 26, solenoid valve 28, three-way valve 29, mixing valve 30, and low temperature pump 33, etc.
  • FIG. 8 is a diagram showing the flow path of the circulating fluid, and shows an example in which the circulating fluid cooled or heated in the refrigeration cycle circuit 10 is not used.
  • the path through which the circulating fluid flows is shown by a thick line, and the flow direction of the circulating fluid is shown by an arrow.
  • Figure 9 is a diagram showing the flow path of the circulating fluid when performing temperature adjustment operation using the circulating fluid cooled in the refrigeration cycle circuit 10.
  • the mixing valve 30 is controlled by the control device 43 (see Figure 7) to open the low-temperature path 31 of the circulating fluid circuit 20 so that the circulating fluid flows through the low-temperature path 31.
  • a portion of the circulating fluid returning from the controlled object 46 flows through the low-temperature path 31 and is cooled using the latent heat of the refrigerant evaporating in the evaporator 15 of the refrigeration cycle circuit 10.
  • the circulating fluid cooled in the refrigeration cycle circuit 10 then merges with the circulating fluid in the basic circulation path 22 that did not flow through the low-temperature path 31, is heated to a predetermined temperature by the heating device 26, and is supplied to the controlled object 46 at a suitable temperature so that the controlled object 46 reaches the set temperature.
  • FIG. 10 is a diagram showing another example of using circulating fluid cooled in the refrigeration cycle circuit 10.
  • the mixing valve 30 may be controlled to open the low-temperature path 31 100%.
  • the circulating fluid returning from the control object 46 does not pass directly through the mixing valve 30, but passes entirely through the low-temperature path 31.
  • only the circulating fluid that has been cooled to a refrigerant in the refrigeration cycle circuit 10 passes through the mixing valve 30 and is sent to the feed path 23.
  • FIG. 11 is a diagram showing the flow path of the circulating fluid when performing temperature adjustment operation using the circulating fluid heated in the refrigeration cycle circuit 10.
  • the control device 43 controls the three-way valve 29 to open the high temperature path 38 of the circulating fluid circuit 20.
  • the circulating fluid returning from the control object 46 flows through the high temperature path 38.
  • the circulating fluid in the high temperature tank 39 which has become hot by utilizing the heat radiation of the refrigerant flowing through the radiator 12 of the refrigeration cycle circuit 10, is sent to the basic circulation path 22.
  • the circulating liquid heated in the refrigeration cycle circuit 10 is then sent to the feed path 23 via the mixing valve 30, heated to a predetermined temperature by the heating device 26, and supplied to the controlled object 46 at an appropriate temperature so that the controlled object 46 reaches the correct set temperature.
  • the circulating fluid is heated by utilizing the heat dissipated by the radiator 12 of the refrigeration cycle circuit 10 and stored in the high-temperature tank 39, and the high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 is supplied to the basic circulation path 22, so that the circulating fluid flowing through the basic circulation path 22 can be changed to a high temperature in a short period of time. Therefore, the energy consumed by the heating device 26 of the circulating fluid circuit 20 can be kept to a minimum, and temperature adjustment can be performed with high efficiency.
  • control device 43 When the control device 43 opens the three-way valve 29, the high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 is sent to the basic circulation path 22. Then, after the temperature of the circulating fluid circulating through the basic circulation path 22 has risen to a predetermined temperature in a short period of time, the control device 43 may close the three-way valve 29 and perform normal temperature control operation in which the circulating fluid does not flow through the high-temperature path 38, as shown in Figures 8, 9, and 10.
  • an operation may be performed in which the circulating liquid circulating through the basic circulation path 22 is heated only by the heating device 26 to adjust the temperature, without using the refrigeration cycle circuit 10.
  • an operation may be performed in which the circulating liquid circulating through the basic circulation path 22 is mixed with a low-temperature refrigerant flowing through the low-temperature path 31 to adjust the temperature.
  • a temperature adjustment operation may be performed in which the low-temperature path 31 is opened 100% by the mixing valve 30, and all of the circulating liquid circulating through the basic circulation path 22 is sent to the feed path 23 via the low-temperature path 31.
  • temperature adjustment can be performed using a small cooling capacity and heating capacity that correspond to the amount of heat dissipation and absorption in the control object 46, as shown in FIG. 8, FIG. 9, and FIG. 10.
  • the temperature control device 1 can circulate the circulating fluid through a suitable path depending on the condition of the controlled object 46, efficiently changing the set temperature in a short time, and can efficiently adjust the temperature of the controlled object 46 with little energy consumption.
  • the temperature control device 1 can perform highly efficient temperature control with little exhaust heat loss for a controlled object 46 such as a semiconductor manufacturing device by utilizing both cold and hot heat generated in the refrigeration cycle circuit 10.

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Abstract

循環液を効率良く高精度に加熱することができ、温度調整に要する時間を短縮して半導体製造等における生産性を向上させることができる加熱装置及びそれを用いた温度調整装置を提供する。　制御対象の温度を調整する循環液を加熱する加熱装置（２６）であって、循環液が流れる導電性の管（５５）と、管（５５）の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイル（５０）と、管（５５）の一次コイル（５０）が巻かれた領域の内部に設けられた導電性の発熱体（５１）と、を具備し、一次コイル（５０）の交番電流による誘導加熱によって発熱体（５１）が発熱し、発熱体（５１）で循環液を加熱する。これにより、電磁誘導で発熱する発熱体（５１）の熱を直接的に循環液に伝達して、循環液を効率良く正確な温度に加熱することができる。よって、半導体製造等において、温度調整に要する時間を短縮できる。

Description

加熱装置及びそれを備えた温度調整装置
　本発明は、加熱装置及びそれを備えた温度調整装置に関し、特に、半導体製造装置等の各種製造装置及び各種計測装置等を所定の温度に調整するために用いられる加熱装置及びそれを備えた温度調整装置に関する。
　一般に半導体製造等では、製造装置によるワークの加工箇所、計測箇所等の温度が各製造プロセスに応じた所定の温度になるよう製造装置等の温度を制御する必要がある。従来、このような温度制御を行う装置として、熱媒体が循環する循環経路を有し、その循環経路を循環する熱媒体によって、温度調整が必要な制御対象を冷却または加熱する温度調整装置が知られている。この種の温度調整装置は、循環する熱媒体を冷却する蒸気圧縮式冷凍サイクルのチラー等と、冷却された熱媒体を加熱する加熱装置等と、を備えている。
　例えば特許文献１には、半導体製造装置等の各種装置、プロセス等の温度を制御するために用いられるエリア別パラメータ制御方式ハイブリッドチラーが開示されている。同文献に開示されたエリア別パラメータ制御方式ハイブリッドチラーは、冷凍サイクルによって所定温度まで冷却された循環液を制御対象に供給する循環液循環回路と、クーリングタワーで冷却された冷却水によって所定の温度まで冷却された循環液を制御対象に供給する第２の循環液循環回路と、を有する。制御対象に循環液を送る循環液供給路には、循環液を加熱するヒータが設けられている。
　このような構成により、冷凍サイクルを用いて循環液を冷却する方法と、クーリングタワーの冷却水を用いて循環液を冷却する方法と、を使い分けて、制御対象に供給される循環液の冷却が行われる。冷凍サイクルまたはクーリングタワーによって冷却された循環液は、ヒータ等の加熱装置によって所定の温度に加熱されて制御対象に供給される。
　また例えば、特許文献２には、凝縮器の中の第１冷媒をポンプ、加熱器、絞り弁及び気化器を介して凝縮器に戻すように循環させる第１循環系と、凝縮器の中に配置された熱交換器を含み第１冷媒を冷却する第２冷媒を循環させる第２循環系と、を備えた冷却装置が開示されている。
　第１循環系は、気化器において沸騰する第１冷媒の気化潜熱によって冷却対象物を冷却する。第１循環系の加熱器は、例えば電熱ヒータであり、第１冷媒が所定温度になるように第１冷媒を加熱する。第２循環系は、圧縮機、第２凝縮器、膨張弁及び熱交換器を有し、第１循環系の凝縮器の内部に設けられた熱交換器において、第２冷媒の気化潜熱を利用して第１冷媒を冷却して凝縮させる。
　また同文献には、第１循環系の加熱器として、第２冷媒の凝縮によって第１冷媒を加熱する第２熱交換器が設けられることが開示されている。第２循環系の第２冷媒は、圧縮機で加圧され第２熱交換器に送られ、第１循環系の第１冷媒を加熱する。
　また例えば、特許文献３には、プラズマエッチング装置のチャンバーに対して供給される循環流体を冷却、加熱する循環冷却加熱装置であって、循環流体を貯留するタンクと、循環流体をタンク及びチャンバーの間で循環させるポンプと、循環流体と冷却水との間で熱交換を行う熱交換器と、タンク内の循環流体を加熱する加熱手段と、を備えた循環冷却加熱装置が開示されている。同文献に開示された加熱手段は、シーズヒータから構成されている。このシーズヒータの発熱により循環流体が加熱される。
特開２０１５－５９７２６号公報 特開２０２２－２００８８号公報 特開２０１４-１２７５３４号公報
　しかしながら、上記した従来技術の加熱装置及び温度調整装置では、温度調整に要する時間を短縮して半導体製造装置等における生産プロセスの効率化を図ると共に、温度調整のためのエネルギー消費量を減らして省エネルギー化を図るために改善すべき点があった。
　具体的には、半導体製造等においては、加工プロセス、計測プロセス等に対応して製造装置等の制御対象の温度を変更する場合がある。例えば、制御対象の設定温度をマイナス４０℃として温度制御していた工程から、設定温度を１３０℃に変更しなければならない場合もある。このような場合、従来技術の温度調整装置では、制御対象の温度を所定の設定温度に変更するために長時間を要する。このように制御対象の温度を変更するための時間は、製造工程におけるタイムロスとなる。
　即ち、従来技術の温度調整装置では、制御対象の設定温度を変更して温度を上昇させるために、シーズヒータ等の電熱ヒータから構成される加熱装置で循環液を長時間加熱する必要があった。加熱装置等で循環液を加熱して制御対象の温度を上昇させる工程は、制御対象の温度が安定した設定温度になるまで行われる。加熱装置等で循環液を加熱して制御対象の温度を上昇させる時間は、半導体製造装置等において加工プロセス、計測プロセス等を行うことができない待ち時間となっていた。
　また、従来技術のシーズヒータ等から構成される加熱装置は、加熱温度の変更に時間を要し、精密な温度調整が容易ではないという問題点があった。即ち、シーズヒータは、ニクロム線等からなる発熱体が絶縁体及び金属パイプで覆われた構成であり、発熱体の熱が直接的に加熱対象の循環液に伝達される構成ではない。そのため、発熱体の発熱量を調整してから循環液に熱を伝える金属パイプが所定の温度に加熱されるまでに時間を要し、制御対象の温度を正確な設定温度に調整するまでのタイムロスが生ずる。
　また、従来技術の温度調整装置は、循環液を冷凍サイクル回路の蒸発器で冷却した後、冷却された循環液をシーズヒータ等の加熱装置によって所定の温度まで加熱する構成である。そのため、循環液を加熱するために消費されるエネルギー、即ち加熱装置等で消費される電力量等、が大きくなってしまうという問題点があった。
　これに対して特許文献２には、蒸発潜熱を利用して第１循環系の第１冷媒を冷却する第２循環系の第２冷媒は、第２熱交換器において、凝縮潜熱を利用して第１冷媒を加熱することが開示されている。このように、制御対象に供給される循環液に相当する第１冷媒を、冷凍サイクルの冷媒である第２冷媒の凝縮潜熱を利用して加熱することにより、循環液の加熱に必要なシーズヒータ等のエネルギー消費量を削減することができる。
　しかしながら、特許文献２に開示された冷却装置のように、冷凍サイクル回路の凝縮器で凝縮する冷媒の凝縮潜熱を利用して循環液を加熱する方法では、循環液を高温に加熱することは難しい。そのため、冷媒の凝縮潜熱を利用して循環液を加熱しても、制御対象の設定温度が高く循環液を高温に加熱する必要がある場合には、シーズヒータ等の加熱装置による多くの加熱が必要であり、加熱装置の加熱量を大幅に減少できなかった。
　また、循環液の加熱に冷凍サイクル回路の凝縮器を利用する構成においても、制御対象の設定温度を変更して循環液の温度を大幅に上昇させる場合には、温度変更に時間を要し、加工工程、計測工程等を開始するまでのタイムロスが生じる。
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされた。本発明の目的は、循環液を効率良く高精度に加熱することができ、設定温度の変更時等において温度調整に要する時間を短縮して半導体製造等における生産性を向上させることができる加熱装置及びそれを用いた温度調整装置を提供することにある。
　また、本発明の他の目的は、半導体製造等におけるエネルギー消費量を減らして省エネルギー化を図ることができる温度調整装置を提供することにある。
　本発明の加熱装置は、制御対象の温度を調整する循環液を加熱する加熱装置であって、前記循環液が流れる導電性の管と、前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、を具備し、前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記管が発熱し前記管で前記循環液を加熱することを特徴とする。
　また、本発明の加熱装置は、制御対象の温度を調整する循環液を加熱する加熱装置であって、前記循環液が流れる管と、前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、前記管の前記一次コイルが巻かれた領域の内部に設けられた導電性の発熱体と、を具備し、前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記発熱体が発熱し前記発熱体で前記循環液を加熱することを特徴とする。
　また、本発明の温度調整装置は、圧縮手段、放熱器、絞り手段及び蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷凍サイクル回路と、循環ポンプ及び加熱装置が設けられ制御対象の温度を調整する循環液が循環する循環液回路と、を具備し、前記循環液回路には、前記加熱装置の上流に、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記蒸発器を流れる開閉自在な低温経路が形成されており、前記加熱装置は、前記循環液が流れる導電性の管と、前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、を備え、前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記管が発熱し前記管で前記循環液を加熱することを特徴とする。
　また、本発明の温度調整装置は、圧縮手段、放熱器、絞り手段及び蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷凍サイクル回路と、循環ポンプ及び加熱装置が設けられ制御対象の温度を調整する循環液が循環する循環液回路と、を具備し、前記循環液回路には、前記加熱装置の上流に、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記蒸発器を流れる開閉自在な低温経路が形成されており、前記加熱装置は、前記循環液が流れる管と、前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、前記管の前記一次コイルが巻かれた領域の内部に設けられた導電性の発熱体と、を備え、前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記発熱体が発熱し前記発熱体で前記循環液を加熱することを特徴とする。
　本発明の加熱装置は、循環液が流れる導電性の管と、前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、を具備し、前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記管が発熱し前記管で前記循環液を加熱する。これにより、電磁誘導によって発熱する管の熱を直接的に循環液に伝達して、循環液を効率良く正確な温度に加熱することができる。よって、半導体製造装置等において、温度制御のための循環液の加熱に要する時間を短縮して、タイムロスの少ない高効率な加工プロセスを実行することが可能となる。
　また、本発明の加熱装置は、循環液が流れる管と、前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、前記管の前記一次コイルが巻かれた領域の内部に設けられた導電性の発熱体と、を具備し、前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記発熱体が発熱し前記発熱体で前記循環液を加熱しても良い。このような構成によって、発熱体の熱を直接的に循環液に伝達して、循環液を効率良く正確な温度に加熱することができる。よって、製造プロセスにおけるタイムロスを減らし半導体装置等の生産性を向上させることができる。また、発熱体から管外への直接的な放熱を減らし、放熱損失の少ない高効率な加熱を行うことができる。
　また、本発明の加熱装置では、前記発熱体は、絶縁部材で覆われた比透磁率が１以上の導線から形成され、前記導線は、導電性の閉ループを構成するよう両端部が接続されていても良い。これにより、高効率な電磁誘導によって導線に多くの誘導電流を流して導線を発熱させ、循環液を効率良く正確な温度に加熱することができる。また、発熱体近傍における循環液の流動抵抗を減らし、循環液を効率良く循環させることができる。
　また、本発明の加熱装置では、前記発熱体は、コイル状に巻かれた二次コイルであり、前記二次コイルは、コイル状に巻かれたコイル経路の両端部が接続されて導電性の閉回路を構成しても良い。これにより、二次コイルに誘導電流が好適に流れる高効率な誘導加熱が可能となる。また、発熱体近傍における循環液の流動抵抗を減らし、循環液の高効率な循環が実現する。
　また、本発明の加熱装置では、前記二次コイルは、前記管の上流側と下流側とで前記コイル経路の巻き径が異なるよう巻かれた箇所を有しても良い。これにより、二次コイルの周辺に循環液の好適な乱流を生じさせ、発熱体と循環液との熱交換を促進することができる。よって、二次コイルによる高効率な加熱により、循環液を短時間で効率良く正確な温度に調整することができる。
　また、本発明の加熱装置では、前記二次コイルは、鉄系材料、ニッケル合金系材料及びフェライト系ステンレス材料の少なくとも一つから形成されても良い。これにより、耐久性、安全性に優れた二次コイルが得られると共に、一次コイルによる交番磁界を高磁性の材料からなる二次コイルに集中させて二次コイルの誘導加熱の効率を高めることができる。よって、循環液を効率良く加熱することができる。
　また、本発明の加熱装置では、前記管は、オーステナイト系ステンレス材料から形成されても良い。これにより、耐食性、耐久性、安全性に優れた管が得られると共に、一次コイルの交番磁界を二次コイルに集中させて二次コイルの誘導加熱の効率を高めることができる。
　また、本発明の加熱装置では、前記管は、前記一次コイルが巻かれた領域に曲管部を有し前記一次コイルが巻かれた領域が円形状、楕円形状若しくはトラック形状に形成されても良い。これにより、一次コイルの交番電流によって発生する磁束を管の内部に集中させて管内の磁束密度を高め、二次コイルの誘導加熱の効率を高めることができる。
　また、本発明の温度調整装置は、圧縮手段、放熱器、絞り手段及び蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷凍サイクル回路と、循環ポンプ及び加熱装置が設けられ制御対象の温度を調整する循環液が循環する循環液回路と、を具備し、前記循環液回路には、前記加熱装置の上流に、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記蒸発器を流れる開閉自在な低温経路が形成されており、前記加熱装置は、前記循環液が流れる導電性の管と、前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、を備え、前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記管が発熱し前記管で前記循環液を加熱する。このような構成により、循環液回路を流れる循環液を冷凍サイクル回路で冷却し、冷却された循環液を加熱装置で効率良く正確な温度に加熱して、高精度な温度調整を行うことができる。
　また、本発明の温度調整装置は、圧縮手段、放熱器、絞り手段及び蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷凍サイクル回路と、循環ポンプ及び加熱装置が設けられ制御対象の温度を調整する循環液が循環する循環液回路と、を具備し、前記循環液回路には、前記加熱装置の上流に、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記蒸発器を流れる開閉自在な低温経路が形成されており、前記加熱装置は、前記循環液が流れる管と、前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、前記管の前記一次コイルが巻かれた領域の内部に設けられた導電性の発熱体と、を備え、前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記発熱体が発熱し前記発熱体で前記循環液を加熱しても良い。このような構成によって、冷凍サイクル回路で冷却された循環液を加熱装置で効率良く正確な温度に加熱することができ、好適な温度の循環水を制御対象に供給することができる。
　また、本発明の温度調整装置では、前記発熱体は、絶縁部材で覆われた比透磁率が１以上の導線から形成され、前記導線は、導電性の閉ループを構成するよう両端部が接続されていても良い。これにより、導線に効率良く誘導電流を流して循環液を効率良く正確な温度に加熱することができる。また、発熱体近傍における循環液の流動抵抗を減らし、循環液を効率良く循環させることができる。
　また、本発明の温度調整装置では、前記発熱体は、コイル状に巻かれた二次コイルであり、前記二次コイルは、コイル状に巻かれたコイル経路の両端部が接続されて導電性の閉回路を構成する。これにより加熱装置は、誘導電流が好適に流れる高効率な誘導加熱が可能となる。また、管内の発熱体近傍における循環液の流動抵抗を減らし、循環液を効率良く循環させることができる。
　また、本発明の温度調整装置では、前記二次コイルは、前記管の上流側と下流側とで前記コイル経路の巻き径が異なるよう巻かれた箇所があっても良い。これにより、二次コイルの周辺に循環液の好適な乱流を生じさせ、発熱体と循環永との熱交換を促進することができる。よって、二次コイルによる高効率な加熱により、循環液を短時間で効率良く正確な温度に精密調整することができる。
　また、本発明の温度調整装置では、前記管は、前記一次コイルが巻かれた領域に曲管部を有し前記一次コイルが巻かれた領域が円形状、楕円形状若しくはトラック形状に形成されても良い。これにより、一次コイルの交番電流によって発生する磁束を管の内部に集中させて管内の磁束密度を高め、二次コイルの誘導加熱の効率を高めることができる。
　また、本発明の温度調整装置では、前記循環液回路には、前記加熱装置の上流に、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記放熱器を流れる開閉自在な高温経路が形成されており、前記冷媒は、二酸化炭素であり、前記放熱器において超臨界圧力で前記循環液を加熱し、前記高温経路には、前記放熱器で前記冷媒に加熱された前記循環液を貯留する高温タンクが設けられていても良い。このような構成により、温度調整装置は、冷凍サイクル回路で発生する冷熱及び温熱の双方を利用して、排熱損失の少ない高効率な温度調整を行うことができる。
具体的には、制御対象から戻る循環液の温度が低く、循環液を大きく温度上昇させる必要がある場合には、循環液が高温経路を流れるよう循環液回路の高温経路が開かれる。これにより温度調整装置は、冷凍サイクル回路の放熱器を流れる冷媒の放熱を利用して循環液を加熱することができる。そして、冷凍サイクル回路の放熱器で加熱された循環液は、循環液回路の加熱装置によって所定の温度に加熱され、制御対象が正確な設定温度になるよう好適な温度で制御対象に供給される。このように、冷凍サイクル回路の放熱器による放熱を利用して循環液を加熱することができるので、循環液回路の加熱装置で消費されるエネルギーを少なく抑えて、高効率な温度調整を行うことができる。
　また、冷凍サイクル回路の冷媒は、二酸化炭素であり、放熱器において超臨界圧力で循環液を加熱するので、循環液を効率良く高温度に加熱することができる。
　具体的には、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系冷媒、ＨＦＯ（ハイドロフルオロオレフィン）系冷媒またはこれらの混合冷媒を利用した従来技術のチラー等の凝縮器では不可能であった高温域まで、冷凍サイクル回路の放熱器で循環液を加熱することができる。そのため、加工工程等の変更のために設定温度を例えば１３０℃の高温に変更するような場合等においても、循環液の温度を短時間で高温度に上昇させることができる。よって、温度調整で生ずるタイムロスを減らし、半導体装置等の生産性を向上させることができる。また、循環液回路の加熱装置による加熱量を少なくできるので、加熱装置によるエネルギー消費を削減し、省エネルギー化を図ることができる。
　また、高温経路には、放熱器で冷媒に加熱された循環液を貯留する高温タンクが設けられている。これにより、例えば、加工工程等の変更により制御対象の設定温度を変更して循環液の温度を大幅に上昇させる場合、高温タンクに貯留された高温の循環液を循環液回路に供給し、循環液回路を循環する循環液の温度を短時間で急速に所定の温度まで上昇させることができる。よって、設定温度の変更に要する時間を大幅に短縮して、加工工程、計測工程等を開始するまでの温度変更に伴うタイムロスを減らすことができる。
図１は、本発明の実施形態に係る温度調整装置を示す図である。 図２は、本発明の実施形態に係る温度調整装置の加熱装置を示す図である。 図３は、本発明の実施形態に係る温度調整装置の加熱装置の他の例を示す図である。 図４は、本発明の実施形態に係る温度調整装置の加熱装置の他の例を示す図である。 図５は、本発明の実施形態に係る温度調整装置の加熱装置の他の例を示す図である。 図６は、本発明の実施形態に係る温度調整装置の加熱装置の他の例を示す図である。 図７は、本発明の実施形態に係る温度調整装置の制御系統を示す図である。 図８は、本発明の実施形態に係る温度調整装置の循環液の流れ経路を示す図である。 図９は、本発明の実施形態に係る温度調整装置の循環液の流れ経路を示す図である。 図１０は、本発明の実施形態に係る温度調整装置の循環液の流れ経路を示す図である。 図１１は、本発明の実施形態に係る温度調整装置の循環液の流れ経路を示す図である。
　以下、図面を適宜参照しながら本発明の実施形態に係る温度調整装置１を詳細に説明する。なお、図示された態様は本発明を限定するものではなく、あくまでも本発明の実施形態の一例を示したものである。
　図１は、本発明の実施形態に係る温度調整装置１の概略構成を示す図である。図１を参照して、温度調整装置１は、半導体製造装置等の各種製造装置、または、半導体製造プロセス等で使用される各種計測装置等、の制御対象４６を、プロセスに応じた所定の温度に調整するために用いられる装置である。
　温度調整装置１は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成して冷媒で循環液を冷却または加熱する冷凍サイクル回路１０と、冷凍サイクル回路１０で冷却または加熱された循環液を制御対象４６に送るよう循環させて制御対象４６の温度を調整する循環液回路２０と、を備えている。
　循環液回路２０を循環する循環液は、例えば、水を含む。循環液は、冷凍サイクル回路１０の冷媒によって冷却または加熱され、循環液回路２０の加熱装置２６によって好適な温度に加熱されて半導体製造装置等の制御対象４６に供給される。これにより、制御対象４６は、好適な温度に調整された循環液によって冷却または加熱され、各製造プロセス、計測プロセス等に適合する好適な温度になるよう制御される。
　先ず、冷凍サイクル回路１０の構成について詳細に説明する。冷凍サイクル回路１０は、圧縮手段としての圧縮機１１、放熱器１２、第２の放熱器１３、絞り手段としての膨張弁１４、及び蒸発器１５が冷媒配管１７を介して順次接続され形成されている。冷凍サイクル回路１０は、冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルの運転が行われる閉回路を構成する。
　圧縮機１１は、冷媒を圧縮して放熱器１２に送る圧縮手段である。圧縮機１１としては、ロータリー式、スクロール式、レシプロ式、スクリュー式その他各種形式の圧縮装置を採用することができる。
　特にロータリー式の圧縮機１１は、冷却能力の小さいコンパクトな温度調整装置１を構成する際に好適である。また、圧縮機１１は、２段圧縮式でも良い。圧縮機１１として２段圧縮式を採用することは、高圧になる二酸化炭素冷媒の圧縮に適している。
　放熱器１２は、圧縮機１１で圧縮され高圧高温になった冷媒と、循環液回路２０の循環液と、の熱交換が行われる熱交換器である。放熱器１２は、例えばガスクーラである。なお、放熱器１２は、冷媒が凝縮する凝縮器でも良い。放熱器１２は、例えば、循環液が貯留される高温タンク３９の内部に設けられ、図示を省略するが、冷媒が流れる複数のチューブを有する。チューブは、例えば鋼管等である。
　具体的には、放熱器１２のチューブは、冷媒が上から下に流れるよう、入口が上方で出口が下方にあり、例えば略螺旋状の形態に巻かれ、高温タンク３９の内部に設けられている。このような構成により、放熱器１２を流れる冷媒は、高温タンク３９内の循環液を効率良く加熱することができる。
　例えば、高温タンク３９内の循環液が制御対象４６に供給されていない場合、即ち、高温タンク３９が設けられた循環液回路２０の高温経路３８に循環液が流れていない場合であっても、放熱器１２を流れる冷媒で高温タンク３９内の循環液を加熱することができる。
　つまり、このような構成によれば、放熱器１２で循環液を加熱するために、循環液回路２０の高温経路３８に循環液を流す循環ポンプ等を設けることなく、高温タンク３９に貯留されている循環液を放熱器１２で高温に加熱することができる。
　よって、冷凍サイクル回路１０が蒸発器１５の蒸発潜熱を利用して循環液を冷却する運転を行っているとき、高温経路３８に循環液を循環させることなく、放熱器１２からの排熱を有効に利用して高温タンク３９内の循環液を高温に加熱することができる。
　なお、放熱器１２は、冷媒が循環液と熱交換できる構成であれば、高温タンク３９の外部に設けられても良い。例えば、放熱器１２として、プレート式、シェルアンドチューブ式、二重管式その他各種形式の熱交換器が採用されても良い。
　第２の放熱器１３は、冷媒の熱を外部に放出する熱交換器であり、放熱器１２の下流に設けられている。第２の放熱器１３は、例えば、冷媒と熱交換する空気が送風ファン１６によって送られる空冷式の熱交換器である。例えば第２の放熱器１３は、図示を省略するが、フィンアンドチューブ式の熱交換器でも良い。即ち、第２の放熱器１３は、冷媒が流れる複数の銅管等のチューブと、それぞれ平行に設けられた複数のアルミニウム製のフィンと、を有し、チューブは、フィンに形成された孔に挿入されている。
　なお、第２の放熱器１３は、水冷式の熱交換器であっても良い。また、第２の放熱器１３としては、プレート式、シェルアンドチューブ式、二重管式その他各種形式の熱交換器を採用することができる。特にプレート式の熱交換器は、熱交換効率が高く第２の放熱器１３をコンパクトにできるので好ましい。
　第２の放熱器１３は、放熱器１２の下流に設けられているので、放熱器１２で循環液を加熱して温度が低下した冷媒を更に低温に冷却することができる。また、高温タンク３９内の循環液が高温になり、放熱器１２を流れる冷媒で循環液を加熱する必要がない場合においても、放熱器１２を通過した高温の冷媒を、第２の放熱器１３における放熱によって低温にすることができる。これにより、高温タンク３９内が高温の循環液で満たされた状態においても、冷凍サイクル回路１０の冷却能力、即ち蒸発器１５における冷媒の蒸発潜熱を利用して循環液を冷却する能力、が発揮される。
　膨張弁１４は、放熱器１２及び第２の放熱器１３を通過して低温になった高圧の冷媒を減圧する絞り手段である。また、膨張弁１４は、冷媒の流れを調整する機能を有する。膨張弁１４としては、電子膨張弁、温度自動膨張弁、キャピラリーチューブその他各種形式の絞り手段を採用することができる。膨張弁１４として電子膨張弁を採用することにより、冷凍サイクル回路１０による循環液の冷却及び加熱を高性能に制御することができる。
　蒸発器１５は、低圧の液冷媒が蒸発し、その蒸発潜熱によって循環液を冷却する熱交換器である。蒸発器１５としては、プレート式、二重管式、チューブ接触式、シェルアンドチューブ式その他各種形式の熱交換器を採用することができる。
　特にプレート式の熱交換器は、熱交換効率が高く蒸発器１５をコンパクトにできるので好ましい。また、二重管式及びチューブ接触式は、製造加工が容易で、好適な耐圧強度が容易に得られる点で優れている。
　蒸発器１５の下流の冷媒配管１７は、図示しないアキュームレータを介して圧縮機１１に接続されている。以上の構成により、圧縮機１１、放熱器１２、第２の放熱器１３、膨張弁１４及び蒸発器１５が順次接続された冷凍サイクル回路１０の閉回路が形成されている。
　冷凍サイクル回路１０で使用される冷媒は、例えば二酸化炭素である。そして、二酸化炭素の冷媒は、ガスクーラとしての放熱器１２において、超臨界圧力で循環液を加熱する。これにより、循環液を効率良く高温度に加熱することができる。
　具体的には、ＨＦＣ系冷媒、ＨＦＯ系冷媒またはこれらの混合冷媒を利用した従来技術のチラー等の凝縮器では不可能であった高温域まで、冷凍サイクル回路１０の放熱器１２で循環液を加熱することができる。
　例えば、温度調整装置１は、加工工程等の変更のために設定温度を１３０℃の高温に変更する場合等においても、循環液の温度を短時間で高温度に上昇させることができる。よって、温度調整装置１は、温度調整で生ずるタイムロスを減らし、半導体装置等の生産性を向上させることができる。また、循環液回路２０の加熱装置２６による加熱量を少なくできるので、加熱装置２６によるエネルギー消費量を削減し、半導体製造等の省エネルギー化を図ることができる。
　なお、温度調整装置１は、冷凍サイクル回路１０の冷媒として、ＨＦＣ系冷媒、ＨＦＯ系冷媒または混合冷媒等が利用されても良い。
　また、冷凍サイクル回路１０には、冷媒の温度を計測する冷媒温度センサ１８、冷媒の圧力を計測する圧力センサ１９等、が設けられている。制御装置４３（図７参照）は、制御対象４６の設定温度、計測温度情報の他、冷媒温度センサ１８で計測された冷媒の温度、圧力センサ１９で計測された冷媒の圧力等に基づいて、圧縮機１１の回転数及び膨張弁１４の開度を制御する。
　次に、循環液回路２０について詳細に説明する。循環液回路２０は、制御対象４６を冷却、加熱する循環液が循環する閉回路を構成する。具体的には、循環液回路２０は、制御対象４６に接続され循環液を循環させる複数の回路モジュール２１と、回路モジュール２１が接続され循環液が冷媒と熱交換可能に蒸発器１５を流れる低温経路３１と、回路モジュール２１が接続され循環液が冷媒と熱交換可能に放熱器１２を流れる高温経路３８と、を有する。
　回路モジュール２１は、制御対象４６に循環液を供給して制御対象４６の温度を調整する装置である。それぞれの回路モジュール２１には、循環液を循環させる基本的な閉回路となる基本循環経路２２が形成されている。詳しくは、回路モジュール２１には、半導体製造装置等の制御対象４６に循環液を供給する送り経路２３と、制御対象４６を冷却、加熱した循環液が戻される戻り経路２４と、が接続された閉回路である基本循環経路２２が形成されている。
　それぞれの回路モジュール２１の送り経路２３には、循環液を制御対象４６に送る循環ポンプ２５と、制御対象４６に供給される循環液を加熱して温度を調整する加熱装置２６と、加熱装置２６で加熱された循環液の温度を計測する温度センサ２７と、が設けられている。
　加熱装置２６は、循環液を加熱する誘導加熱式の加熱手段である。加熱装置２６の詳細については、後述する。加熱装置２６には、誘導加熱電源４８が接続されている。
　誘導加熱電源４８は、加熱装置２６に電力を供給する電源装置である。誘導加熱電源４８からの電力によって加熱装置２６に交番電流が流れ、その交番電流による誘導加熱によって循環液が加熱される。
　温度センサ２７は、加熱装置２６の下流の送り経路２３に設けられ、加熱装置２６で加熱された循環液の温度を計測する。循環ポンプ２５、加熱装置２６及び温度センサ２７は、制御装置４３に接続されている。制御装置４３は、温度センサ２７で計測された循環液の温度が所定の温度になるよう循環ポンプ２５及び加熱装置２６を制御する。これにより制御対象４６の温度が設定温度になるよう制御される。具体的には、制御装置４３によって誘導加熱電源４８の出力、即ち加熱装置２６に供給される電力、が制御され、加熱装置２６による循環液の加熱が制御されている。
　また、各回路モジュール２１の基本循環経路２２には、送り経路２３を開閉する電磁弁２８が設けられている。これにより、その回路モジュール２１に接続された制御対象４６について温度制御が不要である場合には、電磁弁２８を閉じて循環液の流れを止めることができる。
　低温経路３１は、冷凍サイクル回路１０によって循環液を冷却するための経路である。低温経路３１は、基本循環経路２２に循環液のバイパス経路を形成するよう、入口側が回路モジュール２１の戻り経路２４側に接続され、出口側が回路モジュール２１の送り経路２３側に接続されている。
　即ち、回路モジュール２１の基本循環経路２２を循環する循環液は、低温経路３１の入口となる分岐点において、低温経路３１に流入可能である。また、循環液は、低温経路３１に流入せず送り経路２３側に流れることも可能である。
　低温経路３１の出口と、基本循環経路２２と、の合流点には、混合弁３０が設けられている。混合弁３０は、回路モジュール２１の送り経路２３を経由して制御対象４６に供給される循環液に対して、低温経路３１を通過した循環液を混合する弁である。即ち、低温経路３１は、混合弁３０によって開閉自在且つ流量調整自在である。
　混合弁３０の調整により、制御対象４６から戻ってきた循環液に、冷凍サイクル回路１０の蒸発器１５で冷媒の蒸発によって冷却された循環液を混合して好適な温度とする運転を行うことができる。
　また、混合弁３０の調整により、蒸発器１５で冷却された循環液を制御対象４６に供給しない運転を行うことも可能である。即ち、制御対象４６から戻ってきた循環液のみ、または、放熱器１２で加熱された循環液のみ、を送り経路２３に送り、加熱装置２６で加熱して制御対象４６に供給して循環させる温度調整運転を行うこともできる。
　また、低温経路３１には、循環液を貯留する低温タンク３２と、循環液を送る低温ポンプ３３と、循環液を制御対象４６に送らずに低温経路３１の入口側に戻す低温循環経路３４と、が設けられている。
　具体的には、例えば、低温経路３１の入口側に低温タンク３２が設けられ、低温タンク３２の下流に低温ポンプ３３が設けられ、低温ポンプ３３の下流に蒸発器１５が設けられている。そして、低温循環経路３４は、低温経路３１の蒸発器１５の下流に設けられた系統分岐管３６と、低温経路３１の入口側に設けられた低温タンク３２と、を接続するよう設けられても良い。
　低温タンク３２には、低温タンク３２内の循環液の温度を計測する低温センサ３７が設けられている。低温ポンプ３３及び低温センサ３７は、制御装置４３に接続されている。制御装置４３は、低温センサ３７で計測された循環液の温度情報を演算に利用して、循環ポンプ２５及び低温ポンプ３３の運転並びに混合弁３０の開度調整等を制御しても良い。
　上述の如く低温経路３１には、低温タンク３２と、循環液を送る低温ポンプ３３と、循環液を低温経路３１の出口側から入口側に戻す低温循環経路３４と、が設けられている。そのため、低温経路３１の循環液を制御対象４６に供給する循環液として利用していない場合であっても、低温経路３１の循環液を循環させて、蒸発器１５を流れる冷媒で冷却することができる。
　そして、冷媒に冷却された循環液を低温タンク３２に貯留し、貯留された低温の循環液を必要に応じて循環液回路２０に供給することができる。例えば、加工工程等の変更により制御対象４６の設定温度を変更して循環液の温度を大幅に低下させる場合、冷温タンクに貯留された低温の循環液を循環液回路２０に供給することができる。
　これにより、循環液回路２０を循環する循環液の温度を短時間で急速に所定の温度まで低下させることができる。よって、設定温度の変更に要する時間を大幅に短縮して、加工工程、計測工程等を開始するまでの温度変更に伴うタイムロスを減らすことができる。
　また、前述のとおり、低温経路３１には、低温タンク３２、低温ポンプ３３及び低温循環経路３４が設けられている。よって、低温経路３１の循環液を制御対象４６に供給していない場合であっても、冷凍サイクル回路１０を運転して、放熱器１２の冷媒で高温経路３８の循環液を加熱することができる。
　高温経路３８は、冷凍サイクル回路１０によって循環液を加熱するための経路である。高温経路３８は、基本循環経路２２に循環液のバイパス経路を形成するよう、入口側が回路モジュール２１の戻り経路２４側に接続され、出口側が回路モジュール２１の送り経路２３側に接続されている。
　具体的には、循環液回路２０の基本循環経路２２には、低温経路３１への分岐点よりも上流に三方弁２９が設けられている。三方弁２９は、制御対象４６から戻る循環液を高温経路３８に送るか否かを切り替える弁である。即ち、高温経路３８は、三方弁２９によって開閉自在且つ流量調整自在である。
　詳しくは、高温経路３８の入口は、三方弁２９に接続されている。高温経路３８の出口は、基本循環経路２２の三方弁２９よりも下流であって低温経路３１への分岐点よりも上流に接続されている。
　このような構成により、三方弁２９を切り替えることにより、冷凍サイクル回路１０の放熱器１２で加熱された循環液を制御対象４６に供給する運転と、供給しない運転と、を切り替えて実行することができる。
　高温経路３８には、高温に加熱された循環液を貯留する高温タンク３９と、高温タンク３９内の循環液の温度を計測する高温センサ４２と、が設けられている。そして、高温タンク３９の内部には、冷凍サイクル回路１０の放熱器１２が、冷媒によって循環液を加熱することができるように設けられている。
　高温タンク３９は、循環液の入口が下部に形成され、循環液の出口が上部に形成されている。これにより、高温タンク３９内に貯留された高温の循環液を効率良く制御対象４６に供給することができる。
　即ち、制御対象４６から戻る低温の循環液は、三方弁２９を介して高温経路３８に流入し、高温タンク３９の下部に形成された入口から高温タンク３９の内部に流れ込む。そして、高温タンク３９に貯留されていた高温の循環液は、高温タンク３９の上部に形成された出口から基本循環経路２２に送られ、制御対象４６に供給される。
　このように温度調整装置１は、高温タンク３９を備え、高温タンク３９に貯留された高温の循環液を基本循環経路２２に送ることができる。よって、例えば、加工工程等の変更により制御対象４６の設定温度を変更して循環液の温度を大幅に上昇させる場合に高効率な温度変更が可能となる。
　即ち、高温タンク３９に貯留された高温の循環液を循環液回路２０に供給し、循環液回路２０を循環する循環液の温度を短時間で急速に所定の温度まで上昇させることができる。よって、温度調整装置１は、設定温度の変更に要する時間を大幅に短縮して、加工工程、計測工程等を開始するまでの温度変更に伴うタイムロスを減らすことができる。
　なお、制御装置４３は、三方弁２９の開閉制御を行う演算に、高温センサ４２で計測された高温タンク３９内の循環液の温度情報を利用しても良い。これにより、高温タンク３９に貯留されている高温の循環液の量に応じて、高温経路３８の流れを制御することができる。よって、高温タンク３９に貯留された高温の循環液が不足している場合に温度の低い循環液が基本循環経路２２に送られて温度変更にタイムロスが生ずることを抑制することができる。
　また、低温経路３１及び高温経路３８には、複数の回路モジュール２１を接続する系統合流管３５、４０及び系統分岐管３６、４１が設けられている。具体的には、低温経路３１には、入口側に系統合流管３５、出口側に系統分岐管３６が設けられている。高温経路３８には、入口側に系統合流管４０、出口側に系統分岐管４１が設けられている。
　これにより、系統合流管３５、４０及び系統分岐管３６、４１を介して、複数の回路モジュール２１、例えば、２から８個またはそれ以上の回路モジュール２１を、低温経路３１及び高温経路３８に接続することができる。
　複数の回路モジュール２１は、それぞれが循環ポンプ２５及び加熱装置２６を有し、それぞれ別の制御対象４６に循環液を循環させることができる。これにより、１つの冷凍サイクル回路１０を利用して、複数の加工箇所、計測箇所等の制御対象４６を高効率に冷却、加熱して、それぞれの制御対象４６を好適な温度に調整することができる。
　図２は、加熱装置２６の概略構成を示す図であり、管５５の断面を示している。なお、図２において、矢印は循環液の流れ方向を示している。図２を参照して、加熱装置２６は、循環液が流れる管５５と、管５５の外周に巻かれた一次コイル５０と、を有する。
　管５５は、基本循環経路２２（図１参照）の送り経路２３（図１参照）に設けられており、循環液が流れる流路となる。
　一次コイル５０は、交番電流によって交番磁界を発生させるものであり、絶縁材料で被覆された導線等から形成され、管５５の外周に略螺旋状に巻かれている。即ち、一次コイル５０は、管５５の外周にコイル形状の導電経路を構成し、両端部が誘導加熱電源４８（図１参照）に接続されている。
　ここで、管５５は、例えば、導電性の材料から形成されている。これにより、管５５は、一次コイル５０の交番電流による誘導加熱によって発熱し、管５５内を流れる循環液を加熱することができる。
　即ち、一次コイル５０を流れる交番電流によって磁界が発生し、この磁界を打ち消すように管５５に渦電流が流れる。そして、管５５には電気抵抗があるため管５５を流れる渦電流によってジュール熱が発生し、管５５内を流れる循環液を加熱することができる。
　このように、電磁誘導によって発熱する管５５の熱を直接的に循環液に伝達して、循環液を効率良く正確な温度に加熱することができる。よって、半導体製造装置等において、温度制御のための循環液の加熱に要する時間を短縮して、タイムロスの少ない高効率な加工プロセスを実行することが可能となる。
　図３は、加熱装置２６の他の例を示す図であり、管５５の断面を示している。なお、図３において、矢印は循環液の流れ方向を示している。図３に示すように、管５５の内部には、一次コイル５０が巻かれた領域の内部に、導電性の材料からなる発熱体５１としての発熱管５２が設けられても良い。
　例えば、発熱管５２は、管５５と略同軸に設けられる略筒状の部材である。即ち、管５５と、その内部に設けられる略筒状の発熱管５２とで、略二重管状の形状が形成されている。このような発熱管５２が設けられることにより、一次コイル５０の交番電流による誘導加熱によって発熱管５２が発熱し、高温の発熱管５２で循環液を直接的に加熱することができる。
　なお、管５５の内部に設けられる発熱管５２は、銅、鉄、ステンレスその他金属等、導電性の材料から形成された部材であれば良い。好ましくは、発熱管５２を形成する材料は、比誘導率が１以上の鉄系材料、ニッケル合金系材料、フェライト系ステンレス材料等が良い。これにより高効率な誘導加熱が行われる。また、発熱管５２の形状は、筒状に限定されるものではない。
　また、発熱管５２を構成する材料としては、例えば、パンチングメタル等のように、貫通孔が形成されている金属板等が使用されても良い。これにより、発熱管５２に形成された孔を循環液が通過する流路として利用することができる。このような形態の発熱管５２によって、循環液の流動抵抗が小さく、循環液を効率良く加熱することができる発熱体５１が得られる。
　図４は、加熱装置２６の更に他の例を示す図であり、管５５の断面を示している。なお、図４において、矢印は循環液の流れ方向を示している。図４に示すように、管５５の内部に設けられる発熱体５１は、導線から形成された閉ループ状の形態をなす発熱ループ５３でも良い。
　具体的には、発熱ループ５３を形成する導線は、導電性の閉回路を構成するように、両端部が接続されている。このような形態により、発熱体５１に誘導電流が効率良く流れ、発熱体５１の誘導加熱の効率を高めることができる。また、発熱体５１近傍における循環液の流動抵抗を減らし、循環液を効率良く循環させることができる。
　また、発熱ループ５３は、比透磁率が１以上の鉄線、ニッケル合金線、フェライト系ステンレス線等の導線から形成されても良い。このような強磁性体からなる導線が用いられることにより、発熱体５１に磁束を集めて高効率な誘導加熱を行うことが可能となる。また、鉄線は、発熱ループ５３の製造コストを安く抑えることができるので、発熱ループ５３の生産性の観点からも好適である。
　また、発熱ループ５３を形成する導線は、例えば、エナメル、ガラスチューブ、樹脂材料等に覆われている。即ち、導線は、樹脂材料等によってコーティング若しくは被覆されている。これにより、誘導電流が導線の外部に漏れることが抑制され、安全で高効率な誘導加熱が行われる。
　図５は、加熱装置２６の更に他の例を示す図であり、管５５の断面を示している。なお、図５において、矢印は循環液の流れ方向を示している。図５に示すように、管５５の内部には、発熱体５１として、導電性材料からなる二次コイル５４が設けられても良い。具体的には、二次コイル５４は、導電性の線材等がコイル状に巻かれた部材である。
　このような構成によって、一次コイル５０の交番電流による誘導加熱によって発熱体５１である二次コイル５４が発熱し、高温になった二次コイル５４の熱を直接的に循環液に伝達して、循環液を効率良く正確な温度に加熱することができる。よって、製造プロセスにおけるタイムロスを減らし半導体装置等の生産性を向上させることができる。
　なお、発熱管５２（図３参照）、発熱ループ５３（図４参照）及び二次コイル５４等の発熱体５１は、例えば、絶縁性の図示しない支持部材によって管５５の内周に固定されている。即ち、二次コイル５４等の発熱体５１は、交番電流が流れる一次コイル５０に対して非接触であり、循環液が流れる管５５内に設けられている。よって、発熱体５１である二次コイル５４等から管５５外への直接的な放熱を減らし、放熱損失の少ない高効率な加熱を行うことができる。
　また、加熱装置２６は、二次コイル５４等の発熱体５１が、誘導加熱電源４８（図１参照）が接続され交流電力が供給される一次コイル５０に対して非接触に設けられる構成であるので、漏電、電気配線損傷等に対する安全性、信頼性の観点からも優れている。
　また、このようにコイル状に巻かれた発熱体５１を採用することにより、発熱体５１における循環液の流動抵抗を減らし、循環液の高効率な循環が可能となる。
　また、発熱体５１としての二次コイル５４は、コイル状に巻かれたコイル経路の両端部が接続されて導電性の閉回路を構成している。これにより、誘導電流が好適に流れる高効率な誘導加熱が可能となる。
　また、二次コイル５４は、管５５の上流側と下流側とでコイル経路の巻き径が異なるよう巻かれた箇所を有しても良い。具体的には、二次コイル５４には、コイル経路の巻き径が大きい大径巻き部と、コイル経路の巻き径が小さい小径巻き部と、が形成されていても良い。
　このように巻き径が異なる大径巻き部、小径巻き部等が形成されることにより、二次コイル５４の周辺に循環液の好適な乱流を生じさせ、発熱体５１と循環液との熱交換を促進することができる。よって、二次コイル５４による高効率な加熱により、循環液を短時間で効率良く正確な温度に調整することができる。
　詳しくは、二次コイル５４は、コイルの巻き径が徐々に小さくなるよう略円錐状若しくは略カップ状に巻かれていても良い。このような形態により、管５５内を流れる循環液が発熱体５１としての二次コイル５４から離れた位置を通過することが抑制され、循環液は、二次コイル５４の発熱部に接近して二次コイル５４を通過することになる。
　即ち、循環水が二次コイル５４に加熱されずに低温のまま二次コイル５４を通過することが抑えられ、二次コイル５４を通過する循環液は、二次コイル５４に接近して好適に加熱されるようになる。よって、二次コイル５４によって、循環液を効率良く正確な温度に加熱できるようになる。
　なお、略円錐螺旋状に巻かれた二次コイル５４は、図５に示す如く巻き径が小さい小径巻き部が循環液の流れの上流側に、巻き径が大きい大径巻き部が下流側に、なるよう設けられても良い。また、その逆に、二次コイル５４は、図示を省略するが、巻き径が大きい大径巻き部が管５５の上流側に、巻き径が小さい小径巻き部が下流側に、なるよう設けられても良い。
　また、二次コイル５４は、前述の発熱ループ５３と同様に比透磁率が１以上、好ましくは１よりもはるかに大きい強磁性体の材料から形成されても良い。例えば、二次コイル５４は、フェライト系ステンレス材料、鉄系材料、ニッケル合金系材料等の少なくとも一つから形成されても良い。
　フェライト系ステンレス材料は、耐食性、耐久性、安全性に優れた二次コイル５４が得られると共に、一次コイル５０による交番磁界を高磁性の材料からなる二次コイル５４に集中させて二次コイル５４の誘導加熱の効率を高めることができる。よって、循環液を効率良く加熱することができる。また、鉄系材料は、誘導加熱の高効率化を図ることができることに加えて、二次コイル５４の生産コストを削減できるという利点もある。また、二次コイル５４は、前述の発熱ループ５３と同様に、絶縁部材で覆われていても良い。
　また、管５５は、非磁性の材料である、例えば、オーステナイト系ステンレス材料から形成されても良い。これにより、耐食性、耐久性、安全性に優れた管５５が得られると共に、一次コイル５０の交番磁界を二次コイル５４に集中させて二次コイル５４の誘導加熱の効率を高めることができる。
　図６は、加熱装置２６の概略構成を示す図であり、管５５及び一次コイル５０の概略形態の一例を示している。図６に示すように、加熱装置２６を構成する管５５は、一次コイル５０が巻かれた領域に曲管部５６を有し、一次コイル５０が巻かれた領域が略円形状、略楕円形状若しくは略トラック形状に形成されても良い。これにより、一次コイル５０の交番電流によって発生する磁束を管５５の内部に集中させて管５５内の磁束密度を高めることができる。
　即ち、管５５に曲管部５６が形成されることにより、管５５の一次コイル５０が巻かれた領域の一方の端部と、他方の端部と、が接近した状態となる。これにより、管５５の外部に発生する磁束は、接近している一方の端部近傍と、他方の端部近傍と、をつなぐように近距離で発生する。よって、管５５の外周に沿った磁束を少なくして管５５の内部に交番磁束を集中させることができる。そして、発熱管５２（図３参照）、発熱ループ５３（図４参照）及び二次コイル５４（図５参照）等の発熱体５１に発生する渦電流を増やして誘導加熱の効率を高めることができる。
　図７は、温度調整装置１の制御系統を示すブロック図である。図７に示すように、温度調整装置１は、各構成機器を制御する制御装置４３を備えている。制御装置４３は、マイクロプロセッサを備えた制御手段であり、所定の演算を実行して制御対象４６（図１参照）の温度を制御する。
　制御装置４３の入力には、冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ１８、冷媒の圧力を検出する圧力センサ１９、制御対象４６に供給される循環液の温度を検出する温度センサ２７、低温経路３１の循環液の温度を検出する低温センサ３７、高温経路３８の循環液の温度を検出する高温センサ４２、制御対象４６の温度を検出する温度センサ４７等のセンサ類が接続されている。
　制御装置４３の出力には、冷凍サイクル回路１０の圧縮機１１、膨張弁１４及び送風ファン１６、並びに循環液回路２０の循環ポンプ２５、加熱装置２６、電磁弁２８、三方弁２９、混合弁３０及び低温ポンプ３３等が接続されている。
　また、制御装置４３には、制御対象４６の設定温度その他の運転情報を入力する入力装置４４、各部の温度情報その他の制御情報を表示する表示装置４５が設けられている。
　なお、制御装置４３には、その他の図示しないセンサ類、情報入力機器、表示装置、制御対象機器、記録装置等が接続されても良い。
　制御装置４３は、冷媒温度センサ１８、圧力センサ１９、温度センサ２７、低温センサ３７、高温センサ４２、温度センサ４７及び入力装置４４等の入力に基づき所定の演算を実行し、圧縮機１１、膨張弁１４、送風ファン１６、循環ポンプ２５、加熱装置２６、電磁弁２８、三方弁２９、混合弁３０及び低温ポンプ３３等を制御する。
　次に、図８から図１１を参照して、温度調整装置１による温度調整方法について詳細に説明する。
　図８は、循環液の流れ経路を示す図であり、冷凍サイクル回路１０で冷却または加熱された循環液を利用しない例を示している。なお、図８から図１１において、循環液が流れる経路を太線で示し、循環液の流れ方向を矢印で示している。
　図８に示すように、三方弁２９で高温経路３８を閉じ、混合弁３０で低温経路３１を閉じることにより、蒸発器１５で冷却された循環液及び放熱器１２で加熱された循環液を制御対象４６に供給しないこともできる。即ち、循環液は、低温経路３１及び高温経路３８を経由せず、基本循環経路２２を循環する。このように、低温経路３１若しくは高温経路３８を流れる循環液を送り経路２３に送らず、制御対象４６から戻ってきた循環液のみを直接的に送り経路２３に送り、加熱装置２６で加熱し制御対象４６に送って循環させる温度調整運転を行うこともできる。
　図９は、冷凍サイクル回路１０で冷却された循環液を利用して温度調整運転を行う場合の循環液の流れ経路を示す図である。図９に示すように、制御対象４６の冷却が必要な場合には、制御装置４３（図７参照）によって混合弁３０が制御され循環液が低温経路３１を流れるように循環液回路２０の低温経路３１が開かれる。
　そうすると、制御対象４６から戻った循環液の一部は、低温経路３１を流れ、冷凍サイクル回路１０の蒸発器１５で蒸発する冷媒の潜熱を利用して冷却される。そして、冷凍サイクル回路１０で冷却された循環液は、低温経路３１を流れなかった基本循環経路２２の循環液と合流し、加熱装置２６によって所定の温度に加熱され、制御対象４６が設定温度になるよう好適な温度で制御対象４６に供給される。
　図１０は、冷凍サイクル回路１０で冷却された循環液を利用する他の例を示す図である。図１０に示すように、混合弁３０は、低温経路３１を１００％開くよう制御されても良い。即ち、制御対象４６から戻る循環液は、直接的には混合弁３０を通過せず、全てが低温経路３１を経由する。そして、冷凍サイクル回路１０で冷媒に冷却された循環液のみが混合弁３０通過して送り経路２３に送られる。
　このような流れ経路により、冷凍サイクル回路１０で低温に冷却され低温タンク３２に貯留されている大量の循環液を循環液回路２０に送り、制御対象４６に供給される循環液の温度を急速に低下させることができる。よって、設定温度を変更する工程等におけるタイムロスを減らすことができ、半導体装置等の生産性を向上させることができる。
　図１１は、冷凍サイクル回路１０で加熱された循環液を利用して温度調整運転を行う場合の循環液の流れ経路を示す図である。図１１を参照して、制御対象４６から戻る循環液の温度が低く、循環液を大きく温度上昇させる必要がある場合には、制御装置４３（図７参照）によって三方弁２９が制御され循環液回路２０の高温経路３８が開かれる。これにより制御対象４６から戻る循環液は、高温経路３８を流れる。そして、冷凍サイクル回路１０の放熱器１２を流れる冷媒の放熱を利用して高温になった高温タンク３９内の循環液は、基本循環経路２２に送られる。
　そして、冷凍サイクル回路１０で加熱された循環液は、混合弁３０を介して送り経路２３に送られ、加熱装置２６によって所定の温度に加熱され、制御対象４６が正確な設定温度になるよう好適な温度で制御対象４６に供給される。
　このように、冷凍サイクル回路１０の放熱器１２による放熱を利用して循環液を加熱して高温タンク３９に貯留し、高温タンク３９に貯留された高温の循環液を基本循環経路２２に供給して、基本循環経路２２を流れる循環液を短時間で高温に変更することができる。よって、循環液回路２０の加熱装置２６で消費されるエネルギーを少なく抑えて、高効率な温度調整を行うことができる。
　制御装置４３が三方弁２９を開くと、高温タンク３９に貯留されていた高温の循環液が基本循環経路２２に送られる。そして、基本循環経路２２を循環する循環液の温度が短時間で所定の温度まで上昇した後には、図８、図９及び図１０に示すように、制御装置４３によって三方弁２９が閉じられ循環液が高温経路３８を流れない通常の温度調整運転が行われても良い。
　即ち、図８に示すように、冷凍サイクル回路１０を利用せず、基本循環経路２２を循環する循環液を加熱装置２６のみで加熱して温度を調整する運転が行われても良い。また、図９に示すように、基本循環経路２２を循環する循環液に低温経路３１を流れる低温の冷媒を混合して温度を調整する運転が行われても良い。また、図１０に示すように、混合弁３０で低温経路３１が１００％開かれ、基本循環経路２２を循環する全ての循環液が低温経路３１を経由して送り経路２３に送られる温度調整運転が行われても良い。
　つまり、図１１に示すように、加工プロセス等の変更による高温度差の温度変更が行われた後には、図８、図９及び図１０に示すように、制御対象４６における放熱量、吸熱量に対応する程度の小さい冷却能力、加熱能力を利用して温度調整を行うことができる。
　このように温度調整装置１は、制御対象４６の状況に応じて好適な経路に循環液を循環させて、短時間で効率良く設定温度を変更することができ、制御対象４６の温度を効率良く少ないエネルギー消費量で調整することができる。
　以上説明の如く、本実施形態に係る温度調整装置１は、半導体製造装置等の制御対象４６に対して、冷凍サイクル回路１０で発生する冷熱及び温熱の双方を利用して、排熱損失の少ない高効率な温度調整を行うことができる。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更実施が可能である。
１     温度調整装置
１０   冷凍サイクル回路
１１   圧縮機
１２   放熱器
１３   第２の放熱器
１４   膨張弁
１５   蒸発器
１６   送風ファン
１７   冷媒配管
１８   冷媒温度センサ
１９   圧力センサ
２０   循環液回路
２１   回路モジュール
２２   基本循環経路
２３   送り経路
２４   戻り経路
２５   循環ポンプ
２６   加熱装置
２７   温度センサ
２８   電磁弁
２９   三方弁
３０   混合弁
３１   低温経路
３２   低温タンク
３３   低温ポンプ
３４   低温循環経路
３５   系統合流管
３６   系統分岐管
３７   低温センサ
３８   高温経路
３９   高温タンク
４０   系統合流管
４１   系統分岐管
４２   高温センサ
４３   制御装置
４４   入力装置
４５   表示装置
４６   制御対象
４７   温度センサ
４８   誘導加熱電源
５０   一次コイル
５１   発熱体
５２   発熱管
５３   発熱ループ
５４   二次コイル
５５   管
５６   曲管部
 

Claims (15)

  1. 　制御対象の温度を調整する循環液を加熱する加熱装置であって、
    　前記循環液が流れる導電性の管と、
    　前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、を具備し、
    　前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記管が発熱し前記管で前記循環液を加熱することを特徴とする加熱装置。
  2. 　制御対象の温度を調整する循環液を加熱する加熱装置であって、
    　前記循環液が流れる管と、
    　前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、
    　前記管の前記一次コイルが巻かれた領域の内部に設けられた導電性の発熱体と、を具備し、
    　前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記発熱体が発熱し前記発熱体で前記循環液を加熱することを特徴とする加熱装置。
  3. 　前記発熱体は、絶縁部材で覆われた比透磁率が１以上の導線から形成され、
    　前記導線は、導電性の閉ループを構成するよう両端部が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の加熱装置。
  4. 　前記発熱体は、コイル状に巻かれた二次コイルであり、
    　前記二次コイルは、コイル状に巻かれたコイル経路の両端部が接続されて導電性の閉回路を構成することを特徴とする請求項２に記載の加熱装置。
  5. 　前記二次コイルは、前記管の上流側と下流側とで前記コイル経路の巻き径が異なるよう巻かれた箇所を有することを特徴とする請求項４に記載の加熱装置。
  6. 　前記二次コイルは、鉄系材料、ニッケル合金系材料及びフェライト系ステンレス材料の少なくとも一つから形成されていることを特徴とする請求項４に記載の加熱装置。
  7. 　前記管は、オーステナイト系ステンレス材料から形成されていることを特徴とする請求項６に記載の加熱装置。
  8. 　前記管は、前記一次コイルが巻かれた領域に曲管部を有し前記一次コイルが巻かれた領域が円形状、楕円形状若しくはトラック形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の加熱装置。
  9. 　圧縮手段、放熱器、絞り手段及び蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷凍サイクル回路と、
    　循環ポンプ及び加熱装置が設けられ制御対象の温度を調整する循環液が循環する循環液回路と、を具備し、
    　前記循環液回路には、前記加熱装置の上流に、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記蒸発器を流れる開閉自在な低温経路が形成されており、
    　前記加熱装置は、前記循環液が流れる導電性の管と、前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、を備え、
    　前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記管が発熱し前記管で前記循環液を加熱することを特徴とする温度調整装置。
  10. 　圧縮手段、放熱器、絞り手段及び蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷凍サイクル回路と、
    　循環ポンプ及び加熱装置が設けられ制御対象の温度を調整する循環液が循環する循環液回路と、を具備し、
    　前記循環液回路には、前記加熱装置の上流に、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記蒸発器を流れる開閉自在な低温経路が形成されており、
    　前記加熱装置は、前記循環液が流れる管と、前記管の外周に巻かれて交番電流が流れる一次コイルと、前記管の前記一次コイルが巻かれた領域の内部に設けられた導電性の発熱体と、を備え、
    　前記一次コイルの交番電流による誘導加熱によって前記発熱体が発熱し前記発熱体で前記循環液を加熱することを特徴とする温度調整装置。
  11. 　前記発熱体は、絶縁部材で覆われた比透磁率が１以上の導線から形成され、
    　前記導線は、導電性の閉ループを構成するよう両端部が接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の温度調整装置。
  12. 　前記発熱体は、コイル状に巻かれた二次コイルであり、
    　前記二次コイルは、コイル状に巻かれたコイル経路の両端部が接続されて導電性の閉回路を構成することを特徴とする請求項１０に記載の温度調整装置。
  13. 　前記二次コイルは、前記管の上流側と下流側とで前記コイル経路の巻き径が異なるよう巻かれた箇所があることを特徴とする請求項１２に記載の温度調整装置。
  14. 　前記管は、前記一次コイルが巻かれた領域に曲管部を有し前記一次コイルが巻かれた領域が円形状、楕円形状若しくはトラック形状に形成されていることを特徴とする請求項９ないし請求項１３の何れか１項に記載の温度調整装置。
  15. 　前記循環液回路には、前記加熱装置の上流に、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記放熱器を流れる開閉自在な高温経路が形成されており、
    　前記冷媒は、二酸化炭素であり、前記放熱器において超臨界圧力で前記循環液を加熱し、
    　前記高温経路には、前記放熱器で前記冷媒に加熱された前記循環液を貯留する高温タンクが設けられていることを特徴とする請求項９ないし請求項１３の何れか１項に記載の温度調整装置。
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