特開 2023-170990 熱交換器及び温度調整システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023170990

(43)【公開日】2023-12-01

(54)【発明の名称】熱交換器及び温度調整システム

(51)【国際特許分類】

   F28F 21/04 20060101AFI20231124BHJP

   F28F 21/08 20060101ALI20231124BHJP

   F25B 39/04 20060101ALI20231124BHJP

   F28D 7/16 20060101ALI20231124BHJP

【ＦＩ】

F28F21/04

F28F21/08

F28F21/08 E

F25B39/04 H

F28D7/16 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022083133

(22)【出願日】2022-05-20

(71)【出願人】

【識別番号】590000835

【氏名又は名称】株式会社ＫＥＬＫ

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 敦

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA46

3L103BB19

3L103CC02

3L103CC18

3L103DD09

3L103DD70

3L103DD84

3L103DD87

(57)【要約】

【課題】半導体ウエハの洗浄用の液体の温度調節において、液体の汚染を容易に抑制し、熱交換効率を向上すること。
【解決手段】純水又は超純水を熱交換するヒートポンプ式の熱交換器２であって、基材１０と、基材１０の内部を通過する循環ガス用流路２１と、基材１０の内部を通過する純水又は超純水用の液体用流路２２及び液体用流路２３と、を備え、循環ガス用流路２１は、金属製の配管であり、液体用流路２２及び液体用流路２３の内表面は、セラミック又はカーボンからなる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

純水又は超純水を熱交換するヒートポンプ式の熱交換器であって、
基材と、
前記基材の内部を通過する循環ガス用流路と、
前記基材の内部を通過する純水又は超純水用の液体用流路と、
を備え、
前記循環ガス用流路は、金属製の配管であり、
前記液体用流路の内表面は、セラミック又はカーボンからなる、
熱交換器。

【請求項2】

前記基材は、金属の表面にセラミックを溶射して形成される、
請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記基材は、金属の表面にダイヤモンドライクカーボンを溶射して形成される、
請求項１に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記循環ガス用流路は、銅管である、
請求項１に記載の熱交換器。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器と、
蒸発器と、
圧縮機と、
膨張弁と、
を備える温度調整システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱交換器及び温度調整システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来のヒートポンプを活用した純水温度調整システムでは、凝縮器及び蒸発器からの熱源を一度水又は蒸気等で受け取り、間接熱交換器によって間接的に純水に熱を伝達する。

【0003】

半導体のエッチングプロセス等で用いられる循環液の温度制御を、冷凍サイクル（ヒートポンプ）の熱交換器を用いて行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－０５９７２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の技術は、チラーに関する技術である。これにより、冷凍サイクル（ヒートポンプ）が温度制御をおこなう循環液は、半導体ウエハに直接接触しないため、半導体ウエハの汚染を防ぐ工夫が不要である。間接熱交換器を用いると、熱交換効率が低下し、余分な循環回路が増加する。

【0006】

本開示は、半導体ウエハの洗浄用の液体の温度調節において、液体の汚染を容易に抑制し、熱交換効率を向上することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示に従えば、純水又は超純水を熱交換するヒートポンプ式の熱交換器であって、基材と、前記基材の内部を通過する循環ガス用流路と、前記基材の内部を通過する純水又は超純水用の液体用流路と、を備え、前記循環ガス用流路は、金属製の配管であり、前記液体用流路の内表面は、セラミック又はカーボンからなる、熱交換器が提供される。

【0008】

本開示に従えば、上記の熱交換器と、蒸発器と、圧縮機と、膨張弁とを備える温度調整システムが提供される。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、半導体ウエハの洗浄用の液体の温度調節において、液体の汚染を容易に抑制し、熱交換効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施形態に係る温度調整システムを模式的に示す概略図である。

【図2】図２は、実施形態に係る熱交換器の循環ガス用流路を模式的に示す平面図である。

【図3】図３は、実施形態に係る熱交換器を模式的に示す断面図である。

【図4】図４は、実施形態に係る熱交換器の液体用流路を模式的に示す平面図である。

【図5】図５は、実施形態に係る温度調整システムを模式的に示す概略ブロック図である。

【図6】図６は、変形例に係る熱交換器を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本開示は実施形態に限定されない。以下で説明する複数の実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

【0012】

（実施形態）
［温度調整システム］
図１は、実施形態に係る温度調整システムを模式的に示す概略図である。図１に示すように、温度調整システム１は、例えば、半導体ウエハの製造時に、半導体ウエハの洗浄用の液体の温度調節に用いられる。洗浄用の液体は、例えば純水又は超純水である。温度調整システム１は、熱交換器２と、蒸発器３と、圧縮機４と、膨張弁５とを備える。温度調整システム１においては、流体の流れ方向に合わせて上流側、下流側が規定される。

【0013】

純水又は超純水は、半導体ウエハの製造時に、半導体ウエハの洗浄用の液体の温度調節に用いることが可能な程度に不純物が含まれない、純度の高い水である。

【0014】

熱交換器２は、膨張弁５の上流側かつ圧縮機４の下流側に配置されている。熱交換器２は、高温・高圧の蒸気と熱交換して、高温・高圧の液体にする。熱交換器２の詳しい構成は後述する。

【0015】

蒸発器３は、圧縮機４の上流側かつ膨張弁５の下流側に配置されている。蒸発器３は、低温・低圧の液体の熱を吸収して、低温・低圧の蒸気にする。

【0016】

圧縮機４は、熱交換器２の上流側かつ蒸発器３の下流側に配置されている。圧縮機４は、低温・低圧の蒸気を圧縮して、高温・高圧の蒸気にする。

【0017】

膨張弁５は、蒸発器３の上流側かつ熱交換器２の下流側に配置されている。膨張弁５は、高温・高圧の液体の熱を吸収して、低温・低圧の液体にする。

【0018】

貯留槽１０１は、熱交換器２により温度調整された純水又は超純水を貯留する。貯留槽１０１は、熱交換器２の下流側に配置されている。

【0019】

ヒータ１０２は、貯留槽１０１に貯留された純水又は超純水を加熱する。

【0020】

［熱交換器］
図２は、実施形態に係る熱交換器の循環ガス用流路を模式的に示す平面図である。図３は、実施形態に係る熱交換器を模式的に示す断面図である。図４は、実施形態に係る熱交換器の液体用流路を模式的に示す平面図である。

【0021】

熱交換器２は、例えば、半導体ウエハの製造時に、半導体ウエハの洗浄用の液体である純水又は超純水を熱交換する。熱交換器２は、基材１０と、基材１０の内部を通過する循環ガス用流路２１と、基材１０の内部を通過する純水又は超純水用の液体用流路２２及び液体用流路２３とを備える。

【0022】

基材１０は、熱伝導率が高く、純水又は超純水を汚染しない材料で形成される。実施形態では、基材１０は、例えば、セラミックにより構成される。基材１０は、板材で形成される。実施形態では、図３に示すように、基材１０は、第１部材１１と、第２部材１２と、第３部材１３とが板厚方向に重ねて構成される。

【0023】

第１部材１１は、外側に露出する面１１ｂと反対側の面１１ａに、溝部１１１が形成されている。面１１ａは、第２部材１２と向かい合う。溝部１１１は、基材１０を組み付けた状態で、第２部材１２の面１２ａ上に形成された溝部１２１と向かい合う位置に形成されている。

【0024】

図３に示すように、溝部１１１は、断面形状が半円形状又は半楕円形状である。

【0025】

図４に示すように、溝部１１１は、面１１ａ上に、端部１１１ａから端部１１１ｂとの間に折り返して形成されている。より詳しくは、溝部１１１は、水平部１１１ｃ１、水平部１１１ｃ２、水平部１１１ｃ３、水平部１１１ｃ４、水平部１１１ｃ５、水平部１１１ｃ６、水平部１１１ｃ７、接続部１１１ｄ１、接続部１１１ｄ２、接続部１１１ｄ３、接続部１１１ｄ４、接続部１１１ｄ５及び接続部１１１ｄ６を有する。水平部１１１ｃ１、水平部１１１ｃ２、水平部１１１ｃ３、水平部１１１ｃ４、水平部１１１ｃ５、水平部１１１ｃ６及び水平部１１１ｃ７は、図４における横方向に沿って、縦方向に間隔を空けて配置されている。接続部１１１ｄ１、接続部１１１ｄ２、接続部１１１ｄ３、接続部１１１ｄ４、接続部１１１ｄ５及び接続部１１１ｄ６は、図４における縦方向に沿って配置されている。接続部１１１ｄ１、接続部１１１ｄ３及び接続部１１１ｄ５は、図４における面１１ａの右側方に縦方向に間隔を空けて配置されている。接続部１１１ｄ２、接続部１１１ｄ４及び接続部１１１ｄ６は、図４における面１１ａの左側方に縦方向に間隔を空けて配置されている。

【0026】

端部１１１ａは、水平部１１１ｃ１の一方の端部である。接続部１１１ｄ１は、水平部１１１ｃ１の他方の端部と、水平部１１１ｃ２の他方の端部とを接続する。接続部１１１ｄ２は、水平部１１１ｃ２の一方の端部と、水平部１１１ｃ３の一方の端部とを接続する。接続部１１１ｄ３は、水平部１１１ｃ３の他方の端部と、水平部１１１ｃ４の他方の端部とを接続する。接続部１１１ｄ４は、水平部１１１ｃ５の一方の端部と、水平部１１１ｃ６の一方の端部とを接続する。接続部１１１ｄ５は、水平部１１１ｃ５の他方の端部と、水平部１１１ｃ６の他方の端部とを接続する。接続部１１１ｄ６は、水平部１１１ｃ６の一方の端部と、水平部１１１ｃ７の一方の端部とを接続する。端部１１１ｂは、水平部１１１ｃ７の他方の端部である。

【0027】

第２部材１２は、第１部材１１の面１１ａと向かい合う面１２ａと、第３部材１３の面１３ａと向かい合う面１２ｂとを備える。

【0028】

面１２ａ上には、溝部１２１が形成されている。溝部１２１は、基材１０を組み付けた状態で、第１部材１１の面１１ａ上に形成された溝部１１１と向かい合う位置に形成されている。溝部１２１は、溝部１１１と同様の形状に形成されている。

【0029】

面１２ｂ上には、溝部１２２が形成されている。溝部１２２は、基材１０を組み付けた状態で、第３部材１３の面１３ａ上に形成された溝部１３１と向かい合う位置に形成されている。溝部１２１は、溝部１１１と同様の形状に形成されている。

【0030】

第２部材１２は、板厚方向の中間部に孔部１２３が形成されている。図２に示すように、孔部１２３は、水平部１２３ｂ１、水平部１２３ｂ２、水平部１２３ｂ３、水平部１２３ｂ４、水平部１２３ｂ５、水平部１２３ｂ６及び水平部１２３ｂ７を備える。水平部１２３ｂ１、水平部１２３ｂ２、水平部１２３ｂ３、水平部１２３ｂ４、水平部１２３ｂ５、水平部１２３ｂ６及び水平部１２３ｂ７は、図２における横方向に沿って、縦方向に間隔を空けて配置されている。水平部１２３ｂ１、水平部１２３ｂ２、水平部１２３ｂ３、水平部１２３ｂ４、水平部１２３ｂ５、水平部１２３ｂ６及び水平部１２３ｂ７は、図２における横方向を貫通している。

【0031】

第３部材１３は、外側に露出する面１３ｂと反対側の面１３ａに、溝部１３１が形成されている。面１３ａは、第２部材１２と向かい合う。溝部１３１は、溝部１１１と同様に形成されている。溝部１３１は、基材１０を組み付けた状態で、第２部材１２の面１２ｂ上に形成された溝部１２２と向かい合う位置に形成されている。

【0032】

循環ガス用流路２１は、温度調整システム１を循環する循環ガスの流路である。循環ガス用流路２１は、金属製の配管である。循環ガス用流路２１は、基材１０の内部に設けられた配管である。循環ガス用流路２１は、第２部材１２の孔部１２３に挿通されている。循環ガス用流路２１は、水平部２１ｃ１、水平部２１ｃ２、水平部２１ｃ３、水平部２１ｃ４、水平部２１ｃ５、水平部２１ｃ６、水平部２１ｃ７と、接続部２１ｄ１と、接続部２１ｄ２と、接続部２１ｄ３と、接続部２１ｄ４と、接続部２１ｄ５と及び接続部２１ｄ６を備える。水平部２１ｃ１、水平部２１ｃ２、水平部２１ｃ３、水平部２１ｃ４、水平部２１ｃ５、水平部２１ｃ６及び水平部２１ｃ７は、図２における横方向に沿って、縦方向に間隔を空けて配置されている。接続部２１ｄ１と、接続部２１ｄ２と、接続部２１ｄ３と、接続部２１ｄ４と、接続部２１ｄ５と及び接続部２１ｄ６は、図２における縦方向に沿って配置されている。接続部２１ｄ１と、接続部２１ｄ３と、接続部２１ｄ５は、図２における基材１０の右側方に縦方向に間隔を空けて配置されている。接続部２１ｄ２と、接続部２１ｄ４と、接続部２１ｄ６は、図２における基材１０の左側方に縦方向に間隔を空けて配置されている。

【0033】

端部２１ａは、水平部２１ｃ１の一方の端部である。接続部２１ｄ１は、接続部２１ｄ１の他方の端部と接続部２１ｄ２の他方の端部とを接続する。接続部２１ｄ２は、接続部２１ｄ２の一方の端部と接続部２１ｄ３の一方の端部とを接続する。接続部２１ｄ３は、接続部２１ｄ３の他方の端部と接続部２１ｄ４の他方の端部とを接続する。接続部２１ｄ４は、接続部２１ｄ４の一方の端部と接続部２１ｄ５の一方の端部とを接続する。接続部２１ｄ５は、接続部２１ｄ５の他方の端部と接続部２１ｄ６の他方の端部とを接続する。接続部２１ｄ６は、接続部２１ｄ６の一方の端部と接続部２１ｄ７の一方の端部とを接続する。端部２１ｂは、水平部２１ｃ７の他方の端部である。

【0034】

循環ガス用流路２１は、鋼管で形成される。循環ガス用流路２１を流れる循環ガスは、基材１０との間で鋼管越しに熱交換を行う。

【0035】

液体用流路２２及び液体用流路２３の内表面は、セラミック又はカーボンからなる。本実施形態では、液体用流路２２及び液体用流路２３は、基材１０の内部に設けられた溝部である。液体用流路２２及び液体用流路２３の純水又は超純水と接する表面は、セラミック又はカーボンのように純水又は超純水を汚染しない材料が露出している。実施形態では、液体用流路２２及び液体用流路２３の純水又は超純水と接する表面は、セラミックが露出している。

【0036】

液体用流路２２は、基材１０を組み付けた状態で、第１部材１１の溝部１２１と第２部材１２の溝部１２１とによって形成される。

【0037】

液体用流路２３は、基材１０を組み付けた状態で、第２部材１２の溝部１２２と第３部材１３の溝部１３１とによって形成される。

【0038】

図３に示すように、断面視の板厚方向及び縦方向において、液体用流路２２及び液体用流路２３の間に、循環ガス用流路２１が位置する。

【0039】

液体用流路２２及び液体用流路２３を流れる純水又は超純水は、液体用流路２２及び液体用流路２３の壁部を介して基材１０との間で直接的に熱交換を行う。

【0040】

［温度調整方法及び作用］
図５は、実施形態に係る温度調整システムを模式的に示す概略ブロック図である。温度調整システム１では、循環ガスが、熱交換器（凝縮器）２、蒸発器３、圧縮機４及び膨張弁５を循環する。温度調整システム１では、熱交換器２において、純水又は超純水が、循環ガスである高温・高圧の蒸気と熱交換される。純水又は超純水との熱交換により、高温・高圧の蒸気は、高温・高圧の液体になる。

【0041】

循環ガスは、熱交換器２において、循環ガス用流路２１を通過しながら熱交換される。熱交換器２は、循環ガスにより加熱される。

【0042】

純水又は超純水は、熱交換器２において、液体用流路２２及び液体用流路２３を通過しながら熱交換される。純水又は超純水は、例えば、常温で熱交換器２に入って、６０℃以上の高温となって熱交換器２から出て、貯留槽１０１へ貯留される。

【0043】

蒸発器３では、低温・低圧の液体の熱が吸収されて、低温・低圧の蒸気になる。圧縮機４では、低温・低圧の蒸気が圧縮されて、高温・高圧の蒸気になる。膨張弁５では、高温・高圧の液体の熱が吸収されて、低温・低圧の液体になる。

【0044】

貯留槽１０１に貯留された純水又は超純水は、ヒータ１０２によって加熱され、８５℃程度の高温となる。

【0045】

このようにして、温度調整システム１は、例えば、半導体ウエハの製造時に、半導体ウエハの洗浄用の液体の温度調節に用いられる、例えば純水又は超純水の温度調節を行う。

【0046】

［効果］
実施形態では、循環ガス用流路２１は、基材１０の内部に設けられた配管であり、液体用流路２２及び液体用流路２３は、基材１０の内部に設けられた溝部である。実施形態では、基材１０のうち溝部の表面は、セラミックが露出している。実施形態によれば、半導体ウエハの洗浄用の液体の温度調節において、液体の汚染を容易に抑制し、熱交換効率を向上することができる。

【0047】

実施形態では、純水又は超純水は、液体用流路２２及び液体用流路２３の壁部を介して基材１０との間で直接的に熱交換を行う。これにより、実施形態は、純水又は超純水の温度調整のための投入電力を低減できる。実施形態によれば、温度調整の効率を向上することができる。

【0048】

実施形態では、液体用流路２２及び液体用流路２３の表面は、セラミックが露出している。実施形態では、熱交換器２における温調時に、純水又は超純水が汚染されることを抑えることができる。これにより、実施形態は、半導体ウエハの洗浄時の汚染を防ぐことができる。

【0049】

［変形例１］
図６は、変形例に係る熱交換器を模式的に示す断面図である。変形例１は、液体用流路２２及び液体用流路２３は、実施形態のような溝構造ではなく配管構造である。この場合、基材１０に、インサート成形により液体用流路２２及び液体用流路２３を埋め込み一体化して形成すればよい。変形例１においても、液体用流路２２及び液体用流路２３の内表面は、セラミック又はカーボンからなる。

【0050】

［変形例２］
上記では、基材１０は、セラミックであるものとして説明したが、これに限定されない。基材１０は、金属の表面にセラミック、アルミナ（酸化アルミニウム、Ａｌ_２Ｏ_３）、又は、イットリア（酸化イットリウム、Ｙ_２Ｏ_３）を溶射して形成されたものでもよい。この場合、液体用流路２２及び液体用流路２３の純水又は超純水と接する表面は、セラミックが露出する。または、基材１０は、金属の表面にダイヤモンドライクカーボンを溶射して形成されたものでもよい。この場合、液体用流路２２及び液体用流路２３の純水又は超純水と接する表面は、ダイヤモンドライクカーボンが露出する。

【符号の説明】

【0051】

１…温度調整システム、２…熱交換器、３…蒸発器、４…圧縮機、５…膨張弁、１０…基材、１１…第１部材、１２…第２部材、１３…第３部材、２１…循環ガス用流路、２２…液体用流路、２３…液体用流路、１０１…貯留槽、１０２…ヒータ、１２１…溝部、１２２…溝部、１２３…孔部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】