JPH1130467A - 熱交換システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】流体循環システムの圧力変動を抑制して、これ
によるキャビテーションなどの様々な悪影響を未然に防
止する。 【解決手段】熱媒体用液体２を用いて温度制御を行う被
温度制御系１と、この被温度制御系１から排出された熱
媒体用液体２の温度を調整し温度調整した熱媒体用液体
２を前記被温度制御系１に供給する熱交換器３と、これ
ら被温度制御系１と熱交換器３との間で前記熱媒体用液
体２を循環させる循環ポンプ１０と、前記被温度制御系
１、熱交換器３及び循環ポンプ１０間を連結して前記熱
媒体用液体２を循環させる熱媒体用配管６，８とを備え
た熱交換システムにおいて、前記熱媒体用液体２の循環
経路を外気に対し隔絶された閉鎖系とすると共に、前記
熱媒体用液体２の圧力変動を吸収する圧力吸収手段１１
を前記熱媒体の循環経路内に配設するようにしたことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野及び発明が解決しようとする課
題】この発明は熱媒体用液体を用いて温度制御を行う半
導体製造装置などの被温度制御系から排出された熱媒体
用液体を熱交換器を用いて温度調整して被温度制御系に
再度戻すような熱媒体用液体の循環系が構成された熱交
換システムに関し、特に系の圧力変動によるキャビテー
ションを防止するなどの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】恒温室に供給される空気の温度や、半導
体デバイスや液晶デバイスを製造するためのチャンバの
空調や壁面温度制御に用いられる液体（熱媒体）の温度
は、それぞれの目的に応じた目標温度に制御する必要が
ある。

【０００３】このため、この種の半導体製造システムに
おいては、チャンバ内で温度制御に用いた熱媒体を熱交
換器に流入し、熱交換器で熱媒体を所望の温度に調整し
た後、前記チャンバに供給するといった液体循環システ
ムが構成されている。

【０００４】この種のシステムにおいては、熱媒体の温
度制御範囲が広く、熱媒体の温度変化によって熱媒体の
容積が大きく変化し、これにより熱媒体の圧力も大きく
変化する。

【０００５】また、半導体製造装置などの被温度制御系
と熱交換器との配管長が長い場合は、熱媒体の配管での
摩擦による圧損によって熱交換器の手前に設けられた循
環ポンプの入り口圧が低下する。

【０００６】これら熱媒体の温度変化や配管での圧損に
よる圧力低下は、循環ポンプ入り口部での大きな圧力低
下を発生させ、これにより流体循環システムにおいてキ
ャビテーション（圧力低下による熱媒体からの気泡発
生）を発生させ、システムに様々な悪影響を与える。

【０００７】また、熱媒体の圧力上昇は、システムを構
成する配管系、各種機器に安全上好ましからぬ様々な悪
影響を及ぼす。

【０００８】また、この種のシステムにおいては、熱媒
体として、光透過性および絶縁性を有するフロリナート
（登録商標）などの高価な流体が使われることが多い
が、従来技術では、係る高価な流体が前述した圧力変動
によって蒸発してしまうという問題も発生した。

【０００９】この発明はこのような実情に鑑みてなされ
たもので、流体循環システムの圧力変動を抑制して、こ
れによる様々な悪影響を未然に防止する熱交換システム
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段及び作用効果】この発明で
は、熱媒体用液体を用いて温度制御を行う被温度制御系
と、この被温度制御系から排出された熱媒体用液体の温
度を調整し温度調整した熱媒体用液体を前記被温度制御
系に供給する熱交換器と、前記被温度制御系と熱交換器
との間で前記熱媒体用液体を循環させる循環ポンプと、
前記被温度制御系、熱交換器及び循環ポンプ間を連結し
て前記熱媒体用液体を循環させる熱媒体用配管とを備え
た熱交換システムにおいて、前記熱媒体の循環経路を外
気に対し隔絶された閉鎖系とすると共に、前記熱媒体用
液体の圧力変動を吸収する圧力吸収手段を前記熱媒体の
循環経路内に配設するようにしたことを特徴とする。

【００１１】前記圧力吸収手段としては、例えば、熱媒
体用液体を貯蔵する密閉式の膨張タンクと、この膨張タ
ンク内の気体室に接続されるベローズチューブとから成
る構成が採用される。

【００１２】かかる発明では、熱媒体の循環経路内に、
膨張タンク及びベローズチューブ等で構成される熱媒体
用液体の圧力吸収手段を備えるようにしたので、熱媒体
の温度変化などによる熱媒体循環系内の圧力変動を抑え
ることができ、これによりキャビテーションなどの系に
対する様々な悪影響を防止することができる。また、こ
の発明では、熱媒体の循環経路を外気に対し隔絶された
閉鎖系とするようにしたので、圧力変動による熱媒体の
蒸発、気化によって熱媒体が外気に放出されることを防
止することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施例を添付図面
に従って詳細に説明する。

【００１４】図１にこの発明の第１実施例を示す。

【００１５】図１において、被温度制御系としての真空
チャンバ１は半導体ウェハに各種の半導体処理を実行す
るもので、循環供給されたフロリナート、水などの熱媒
体用液体２を用いて半導体ウェハを例えば９０゜Ｃ〜２
５０゜Ｃの範囲で温度制御する。

【００１６】熱交換器３は、ランプ４によって熱媒体用
液体２を加熱し、冷却液５によって熱媒体用液体２を冷
却して熱媒体用液体２の温度を調整するもので、その詳
細は後述する。

【００１７】熱交換器３から真空チャンバ１へ熱媒体２
を供給する熱媒体供給管６の途中には開閉弁７が設けら
れている。真空チャンバ１で排出された熱媒体２が熱交
換器３に戻るための熱媒体戻り管８の途中には、開閉弁
９および循環ポンプ１０が設けられている。

【００１８】循環ポンプ１０の吸い込み口の直前には、
熱媒体用液体２の温度変化や熱媒体戻り管８の圧損など
による圧力変動を吸収する圧力吸収手段１１が設けられ
ている。圧力吸収手段１１は、熱媒体用液体２を貯蔵す
る密閉式の膨張タンク１２と、この膨張タンク１２の気
体室１３に孔１４を介して接続される伸縮自在のベロー
ズチューブ１５とから構成されている。

【００１９】また、膨張タンク１２の気体室１３内の気
圧が所定の圧力以上になると気体室１３内の気体を逃が
すチェック弁１６と、膨張タンク１２の気体室１３内の
気圧が所定の圧力以下になると気体室１３内に気体を入
れるチェック弁１７とを備えられている。

【００２０】次に、図２及び図３を用いて熱交換器３の
詳細構成について説明する。なお、図３は図２のＡ−Ａ
断面図である。

【００２１】図２及び図３において、流体入り口２０ａ
および流体出口２０ｂを有する円筒形状の内側容器２１
には、熱媒体用流体２が充填される。内側容器２１の外
側に設けられる円筒形状の外側容器２２には、冷却液入
り口２３ａから冷却液が供給され、冷却液出口２３ｂを
介して冷却液が排出される。

【００２２】内側容器２１の内周面および外周面には、
内側容器２１の半径方向に直立した多数本の内側フィン
２４および外側フィン２５がそれぞれ円周方向に分散配
置されている。

【００２３】内側容器２１の内側には、中心軸に沿って
石英ガラスのような光透過性の極めて高い材料で構成さ
れる透明筒２６が配置され、さらにその内部にはハロゲ
ンランプなどのヒーティングランプ４が挿入されてい
る。

【００２４】内側フィン２４の各先端と透明筒２６の外
周面との間および外側フィン２５の各先端と外側容器２
２の内周面との間にも僅かな隙間がある。

【００２５】係る構成の熱交換器３において、内側容器
２１内に充填された熱媒体用液体２を加熱する際には、
ランプ４が点灯され、外側容器２２内の冷却液の流れは
原則として停止される。ランプ５から放射された赤外線
は透明筒２６を通過して内側容器２１内に入射される。
もし、流体がフロリナートなどの光吸収性の極めて低い
物質であれば、赤外線の大部分は内側フィン２４に吸収
され、そこで生じた放射熱がフィン２４から熱媒体用液
体２へ伝えられ、熱媒体用液体２が加熱される。熱媒体
２が光吸収性を適度に持つ水、エチレングリコールなど
の物質であれば、赤外線は内側フィン２４だけでなく熱
媒体２にも直接吸収され、その放射熱で熱媒体２が加熱
される。

【００２６】加熱量の制御は、熱媒体出口２０ｂ付近に
配置した温度センサの検出値を参照しながらランプ４の
点灯時間のデューティ比や発光量を調節することにより
行われる。過加熱の場合は、ランプ４の消灯、外側容器
２２に冷却液を流すなどして温度調整される。

【００２７】一方、熱媒体２を冷却する場合は、外側容
器２２に冷却液が流され、ランプ４は原則的には消灯さ
れる。すなわち、熱媒体２が保有する熱が内側フィン２
４、外側フィン２５を通じて冷却液に伝えられ、熱媒体
２が冷却される。

【００２８】冷却量の制御は、冷却液の流量調整によっ
て行われる。過冷却の場合は、ランプ４を点灯したり、
冷却液の流量を絞るなどして温度調整される。

【００２９】つぎに、図１の膨張タンク１２およびベロ
ーズチューブ１５の構成について説明する。

【００３０】すなわち、図１の構成においては、膨張タ
ンク１２によって熱媒体用液体２の温度変化による容積
変動を吸収するようにしている。例えば熱媒体２の温度
が低い場合は、膨張タンク１２内の熱媒体の水位は低め
になり、熱媒体２の温度が上昇すると膨張タンク１２内
の熱媒体２の水位が高くなる。

【００３１】また、膨張タンク１２の気体室１３には孔
１４を介して大気圧が作用するベローズチューブ１５が
接続されており、これにより熱媒体の温度変化や配管に
よる摩擦などの圧損などによる熱媒体２の圧力変動を吸
収して、熱媒体の圧力を常にほぼ一定に維持することが
できるようになっている。

【００３２】例えば、熱媒体２の温度が低く、膨張タン
ク１２内の熱媒体の水位が低めの場合はベローズチュー
ブ１５は縮退状態にあり、また熱媒体２の温度が上昇し
て膨張タンク１２内の熱媒体２の水位が高くなった場合
はベローズチューブ１５は伸張状態となる。

【００３３】また、この実施例においては、膨張タンク
１２およびベローズチューブ１５を循環ポンプ１０の吸
い込み口側の直前位置に配設するようにしている。この
ため、循環ポンプ１０の吸い込み口の圧力を一定に維持
することができ、ポンプ入り口部の圧力低下によるキャ
ビテーションを確実に防止することができる。

【００３４】さらに、この実施例における熱媒体２の循
環経路は、完全な閉鎖回路状態となっていて、熱媒体２
が外気に触れないようになっている。膨張タンク１２も
密閉式を採用している。このため、この実施例では、圧
力変動によって蒸発、気化した熱媒体２が外気に放出さ
れることがなくなり、高価なフロリナートなどの熱媒体
を用いた場合でも、その補給による運転コストの増大を
抑制することが可能になる。

【００３５】また、この実施例では、膨張タンク１２に
チェック弁１６および１７を接続し、膨張タンク１２の
気体室１３内の圧力を所定の下限圧および上限圧の範囲
内に収められるようにしている。このため、ベローズを
最伸張状態にして運転を開始して熱媒体２の温度が上昇
する際には、チェック弁１６より気体を外気に放出し、
経路内の圧力が異常に上昇することを防ぐ。同様に、チ
ェック弁１７により、経路内の圧力が異常に下がるのを
防ぐことができ、ベローズチューブ１５の最大ストロー
クなどを考慮したベローズの伸縮位置の初期調整が不要
になる。

【００３６】図４にこの発明の第２実施例を示す。

【００３７】この第２実施例は、真空チャンバ１と熱交
換器３と間の配管長が長くて、配管内壁での摩擦などに
よる熱媒体２の圧損がかなり大きくなる状況に対処しよ
うとするものであり、膨張タンクおよびベローズチュー
ブの容積を増大させ、かつ真空チャンバ１への熱媒体２
のポンプ吐出圧を増圧するために、循環ポンプ３１、膨
張タンク３２およびベローズチューブ３３で構成される
ブースターユニット３０を先の図１に示した実施例に追
加するようにしている。

【００３８】また、この実施例においては、熱交換器
３、循環ポンプ１０、膨張タンク１２およびベローズチ
ューブ１５等で構成される熱交換器本体ユニット４０
と、前記ブースターユニット３０とを図５〜図７に示す
ようにユニット化し、これらユニットの連結、離脱を簡
単に行えるようにして、真空チャンバ１と熱交換器３と
間の配管長に応じて、ブースターユニット３０の有りま
たは無しのシステムを容易に構築できるようにしてい
る。

【００３９】なお、図５は熱交換器本体ユニット４０を
示し、図６はブースターユニット３０を示し、図７はこ
れら両ユニットを隣接させて連結した状態を示す側面図
である。また、図５〜図７に示したユニット構成におい
ては、ブースターユニット３０に設けられる膨張タンク
３２およびベローズチューブ３３にそれぞれ充分な容量
を確保するようにしたので、図５に示す本体ユニット４
０には、図４に示した膨張タンク１２およびベローズチ
ューブ１５に対応する構成を省略するようにしている。
勿論、図４に示したように、本体ユニット４０側にも膨
張タンク１２およびベローズチューブ１５を設け、これ
らを含んで本体ユニット４０を構成するようにしてもよ
い。

【００４０】係る第２実施例によれば、熱交換器３の吐
出口側に循環ポンプ３１を追加し、この循環ポンプ３１
によってその吐出圧を本体ユニット４０の循環ポンプの
吐出圧の倍程度に増圧するようにしている。このため、
この第２実施例によれば、熱交換器３を真空チャンバ１
から遠距離に設置しなくてはいけない状況下において熱
媒体２の圧損が大きな場合においても、熱媒体２を真空
チャンバ１に対して高圧で供給することが可能になる。
また、この第２実施例では、膨張タンク３２およびベロ
ーズチューブ３３を増設するなどしてこれらの容量を増
大させるようにしたので、熱交換器３を真空チャンバ１
から遠距離に設置しなくてはいけない状況下で、熱媒体
循環システム内を循環する熱媒体自体の容量が大きく増
大するような場合においても、熱媒体の温度変動による
容積変化および圧力変化を確実に吸収することができる
ようになる。

【００４１】さらに、この第２実施例においても、本体
ユニット４０の膨張タンク１２およびブースターユニッ
ト３０の膨張タンク３２を循環ポンプ１０の吸い込み口
側の直前位置で配管するようにしているので、循環ポン
プ１０の吸い込み口の圧力を一定に維持することがで
き、ポンプ入り口部の圧力低下によるキャビテーション
を確実に防止することができるなお、図２および図３に
示した熱交換器２の構成は一例を示したのみで、液体の
温度を加熱及び冷却できるものであれば、他の任意の構
成を採用するようにしてもよい。

【００４２】また、温度制御する対象機器も半導体製造
用真空チャンバに限るわけではなく、熱媒体用液体によ
って温度制御されるものであれば、加工装置などの他の
任意の機器を制御対象とするようにしてもい。

【００４３】さらに、熱媒体用液体の圧力変動分を吸収
する圧力吸収手段も膨張タンクとベローズチューブの組
み合せに限らず、他の任意の構成を採用するようにして
もよい。

【００４４】また、膨張タンク内の気体の圧力を所定範
囲内に収めるための弁も、チェック弁に限るわけではな
く、同等の機能を有するリリーフ弁などの他の弁で代用
するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例を示す図。

【図２】熱交換器の内部構成を示す断面図。

【図３】図２の熱交換器のＡ−Ａ断面図。

【図４】この発明の第２実施例を示す図。

【図５】第２実施例に用いられる熱交換器本体ユニット
を示す正面図。

【図６】第２実施例に用いられるブースターユニットを
示す正面図。

【図７】第２実施例で用いられる熱交換器本体ユニット
及びブースターユニットが結合された状態を示す側面
図。

【符号の説明】

１…真空チャンバ ２…熱媒体用液体 ３…熱交換
器 ４…ヒーティングランプ ５…冷却液 ６…熱媒体
供給管 ７、９…開閉弁 １０，３１…循環ポンプ １１…
圧力吸収手段 １２，３２…膨張タンク １３…気体室 １４…孔 １５，３３…ベローズチューブ １６，１７…チェッ
ク弁 ２１…内側容器 ２２…外側容器 ２４…内側フィ
ン ２５…外側フィン ２６…透明筒 ３０…ブースタ
ーユニット ４０…熱交換器本体ユニット

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱媒体用液体を用いて温度制御を行う被温
   度制御系と、この被温度制御系から排出された熱媒体用
   液体の温度を調整し温度調整した熱媒体用液体を前記被
   温度制御系に供給する熱交換器と、前記被温度制御系と
   熱交換器との間で前記熱媒体用液体を循環させる循環ポ
   ンプと、前記被温度制御系、熱交換器及び循環ポンプ間
   を連結して前記熱媒体用液体を循環させる熱媒体用配管
   とを備えた熱交換システムにおいて、 前記熱媒体用液体の循環経路を外気に対し隔絶された閉
   鎖系とすると共に、 前記熱媒体用液体の圧力変動を吸収する圧力吸収手段を
   前記熱媒体の循環経路内に配設するようにしたことを特
   徴とする熱交換システム。
2. 【請求項２】前記圧力吸収手段を前記循環ポンプの吸い
   込み側の直前に設けるようにした請求項１記載の熱交換
   システム。
3. 【請求項３】前記圧力吸収手段は、前記熱媒体用液体を
   貯蔵する密閉式の膨張タンクと、この膨張タンク内の気
   体室に接続されるベローズチューブとを具える請求項１
   または２記載の熱交換システム。
4. 【請求項４】前記膨張タンクの気体室内の気圧が所定の
   圧力以上になると気体室内の気体を逃がす第１の弁と、
   前記膨張タンク内の気圧が所定の圧力以下になると気体
   室内に気体を入れる第２の弁とを備えるようにした請求
   項３記載の熱交換システム。
5. 【請求項５】前記循環ポンプは、前記熱媒体の循環経路
   内に直列接続される第１および第２の循環ポンプを有
   し、 前記圧力吸収手段は、前記熱媒体用液体を貯蔵する密閉
   式の膨張タンクと、この膨張タンク内の気体室に接続さ
   れるベローズチューブとを具え、 前記第１の循環ポンプおよび前記熱交換器を本体ユニッ
   トとしてユニット化すると共に、 前記第２の循環ポンプ、前記膨張タンクおよびベローズ
   チューブをブースターユニットとしてユニット化し、 前記熱媒体用配管を、前記被温度制御系から排出された
   熱媒体用液体が、前記膨張タンク、第１の循環ポンプ、
   熱交換器、第２の循環ポンプの順番に流れるように構成
   し、 前記第１の循環ポンプの吸い込み側の直前に前記膨張タ
   ンクを配設するようにしたことを特徴とする請求項１記
   載の熱交換システム。
6. 【請求項６】前記循環ポンプは、前記熱媒体の循環経路
   内に直列接続される第１および第２の循環ポンプを有
   し、 前記圧力吸収手段は、前記熱媒体用液体を貯蔵する密閉
   式の第１の膨張タンクと、この第１の膨張タンク内の気
   体室に接続される第１のベローズチューブと、前記熱媒
   体用液体を貯蔵する密閉式の第２の膨張タンクと、この
   第２の膨張タンク内の気体室に接続される第２のベロー
   ズチューブと、前記第１および第２の膨張タンクの気体
   室間を連結する気体配管とを有し、 前記熱交換器、第１の循環ポンプ、前記第１の膨張タン
   クおよび第１のベローズチューブとを本体ユニットとし
   てユニット化するとともに、 前記第２の循環ポンプ、前記第２の膨張タンクおよび第
   ２のベローズチューブをブースターユニットとしてユニ
   ット化し、 前記熱媒体用配管を、前記被温度制御系から排出された
   熱媒体用液体が、前記第１及び第２の膨張タンク、第１
   の循環ポンプ、熱交換器、第２の循環ポンプの順番に流
   れるように構成し、 前記第１の循環ポンプの吸い込み側の直前に前記第１及
   び第２の膨張タンクを配設するようにしたことを特徴と
   する請求項１記載の熱交換システム。