特許 7578540 多元冷凍サイクル装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-28

(45)【発行日】2024-11-06

(54)【発明の名称】多元冷凍サイクル装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/50 20060101AFI20241029BHJP

   F25B 7/00 20060101ALI20241029BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20241029BHJP

   H01L 23/427 20060101ALI20241029BHJP

【ＦＩ】

H01L21/50 Z

F25B7/00 D

F25B1/00 399Y

H01L23/46 A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021080878

(22)【出願日】2021-05-12

(65)【公開番号】P2022174869

(43)【公開日】2022-11-25

【審査請求日】2023-10-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(74)【代理人】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(72)【発明者】

【氏名】小博 基司

(72)【発明者】

【氏名】福住 幸大

(72)【発明者】

【氏名】坂内 伸隆

(72)【発明者】

【氏名】宮田 啓雅

【審査官】金田 孝之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－１３７２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１１１１７９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１０７８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０５５６７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／５０

Ｆ２５Ｂ ７／００

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｈ０１Ｌ ２３／３４－２３／４７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体デバイス製造装置を冷却するための多元冷凍サイクル装置であって、
前記半導体デバイス製造装置を冷却するための冷却媒体と熱交換を行う第１冷媒が循環する第１冷凍サイクルと、
前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が循環する第２冷凍サイクルを備えており、
前記第１冷凍サイクルの少なくとも一部は、前記半導体デバイス製造装置が設置されたクリーンルーム内に配置されており、
前記第２冷凍サイクルは、サブファブ内に配置されている、多元冷凍サイクル装置。

【請求項2】

前記第１冷凍サイクルの全体は、前記クリーンルーム内に配置されている、請求項１に記載の多元冷凍サイクル装置。

【請求項3】

前記第１冷凍サイクルは、
前記冷却媒体と前記第１冷媒との間で熱交換を行い、気相の前記第１冷媒を生成するように構成された第１蒸発器と、
前記気相の第１冷媒を圧縮するように構成された第１圧縮機と、
圧縮された前記気相の第１冷媒を凝縮させて液相の前記第１冷媒を生成するように構成された第１凝縮器と、
前記第１冷媒の圧力と温度を低下させるために前記第１凝縮器と前記第１蒸発器の間に配置された第１膨張機構を含み、
前記第１蒸発器と前記第１膨張機構は、前記クリーンルーム内に配置され、前記第１圧縮機および前記第１凝縮器は、前記サブファブ内に配置されている、請求項１に記載の多元冷凍サイクル装置。

【請求項4】

前記多元冷凍サイクル装置は、前記第１冷凍サイクルと前記第２冷凍サイクルとの間で中間媒体を循環させるための中間媒体循環ラインをさらに備え、
前記中間媒体循環ラインは、前記第１冷凍サイクルと前記第２冷凍サイクルとの間を延びている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多元冷凍サイクル装置。

【請求項5】

前記多元冷凍サイクル装置は、前記中間媒体循環ラインに接続されたバッファタンクをさらに備えている、請求項４に記載の多元冷凍サイクル装置。

【請求項6】

前記中間媒体は、ブライン（不凍液）である、請求項４または５に記載の多元冷凍サイクル装置。

【請求項7】

前記第１冷媒と前記第２冷媒とを熱交換するためのカスケードコンデンサをさらに備えている、請求項１または２に記載の多元冷凍サイクル装置。

【請求項8】

前記第１冷凍サイクルは、
前記冷却媒体と前記第１冷媒との間で熱交換を行い、気相の前記第１冷媒を生成するように構成された第１蒸発器と、
前記気相の第１冷媒を圧縮するように構成された第１圧縮機と、
圧縮された前記気相の第１冷媒を凝縮させて液相の前記第１冷媒を生成するように構成された第１凝縮器と、
前記第１圧縮機と前記第１凝縮器の間に配置され、圧縮された前記気相の第１冷媒を冷却するための熱交換器を備えている、請求項１または２に記載の多元冷凍サイクル装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、低温側冷凍サイクルと高温側冷凍サイクルを含む多元冷凍サイクル装置に関し、特に、エッチング装置などの半導体デバイス製造装置の冷却に使用される多元冷凍サイクル装置に関する。

【背景技術】

【0002】

メモリ容量拡大のため、3D-NANDの技術革新として積層化が進んでいる。積層化によりエッチングプロセスにかかる加工処理時間が増加しており、生産能力(スループット)の低下が課題となっている。エッチング加工時間を短縮し、スループットを向上させるためには、エッチング装置の処理チャンバを－３０℃～－１２０℃程度の低温に冷却することが効果的である。

【0003】

そこで、－３０℃～－１２０℃程度の低温を達成するために、二元冷凍サイクル装置が従来から使用されており（例えば、特許文献１－３参照）、複数社によって製品化されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－１９３９０８号公報

【文献】特開２０１３－６４５５９号公報

【文献】国際公開第２０１２／１２８２２９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、これらの二元冷凍サイクル装置では単段冷凍サイクル装置に比べて機器点数が増加し、それらを結ぶ配管も多くなるため、装置の全体寸法が大きくなることは不可避である。半導体デバイス製造装置の一般的な設置状況として、図７に示すように、半導体デバイスの加工を担うプロセスチャンバ（例えば、エッチング装置の処理チャンバ）はクリーンルーム内に設置され、プロセスチャンバを冷却する二元冷凍サイクル装置はクリーンルームとは別のエリアである各種周辺機器が設置されるサブファブリケーション通称サブファブと呼ばれるエリアに設置される。

【0006】

クリーンルームとサブファブの位置関係は、大抵の場合、階上と階下の位置関係になっており、サブファブ内の機器の設置面積は、原則として、階上の半導体デバイス製造装置の設置面積を超えることはできない。また、サブファブに設置される装置は多数あることから、設置面積を縮小することは各種装置の基本的な課題となっている。しかしながら、半導体デバイス製造装置の積層構造の層数は増加する傾向にあり、これに伴い、二元冷凍サイクル装置は、今後大型化することが予想されている。

【0007】

上記問題に加え、超低温の冷却媒体を移送するための配管は、結露防止と断熱のため分厚い保冷材で覆う必要があり、施工の手間やコストが上昇する。さらに、このような配管をサブファブからクリーンルームまでの長い距離に亘って設置するためのスペースが必要になるのみならず、配管が長くなるほど、周囲雰囲気の温度が配管内の冷却媒体に伝わりやすくなる（冷却効果が低くなる）。

【0008】

そこで、本発明は、サブファブ内に設置される機器の設置面積を小さくすることができ、かつ半導体デバイス製造装置に冷却媒体を移送するための配管を短くすることができる多元冷凍サイクル装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

一態様では、半導体デバイス製造装置を冷却するための多元冷凍サイクル装置であって、前記半導体デバイス製造装置を冷却するための冷却媒体と熱交換を行う第１冷媒が循環する第１冷凍サイクルと、前記第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が循環する第２冷凍サイクルを備えており、前記第１冷凍サイクルの少なくとも一部は、前記半導体デバイス製造装置が設置されたクリーンルーム内に配置されており、前記第２冷凍サイクルは、サブファブ内に配置されている、多元冷凍サイクル装置が提供される。

【0010】

本発明によれば、多元冷凍サイクル装置の構成要素は２つに分割されて、クリーンルームとサブファブとにそれぞれ配置されるので、サブファブ内に設置される機器の設置面積を小さくすることができる。
また、第１冷凍サイクルの少なくとも一部はクリーンルーム内に配置されるので、第１冷凍サイクルから半導体デバイス製造装置（例えばエッチング装置の処理チャンバ）に超低温の冷却媒体を移送するための冷却配管を短くできる。結果として、冷却配管用のスペースが小さくでき、かつ冷却効率が向上する。

【0011】

一態様では、前記第１冷凍サイクルの全体は、前記クリーンルーム内に配置されている。
本発明によれば、サブファブ内での設置面積をさらに小さくすることができる。

【0012】

一態様では、前記第１冷凍サイクルは、前記冷却媒体と前記第１冷媒との間で熱交換を行い、気相の前記第１冷媒を生成するように構成された第１蒸発器と、前記気相の第１冷媒を圧縮するように構成された第１圧縮機と、圧縮された前記気相の第１冷媒を凝縮させて液相の前記第１冷媒を生成するように構成された第１凝縮器と、前記第１冷媒の圧力と温度を低下させるために前記第１凝縮器と前記第１蒸発器の間に配置された第１膨張機構を含み、前記第１蒸発器と前記第１膨張機構は、前記クリーンルーム内に配置され、前記第１圧縮機および前記第１凝縮器は、前記サブファブ内に配置されている。
本発明によれば、階下のサブファブ内に第１圧縮機と第１凝縮器が配置され、階上のクリーンルーム内に第１蒸発器と第１膨張機構が配置されるので、第１圧縮機から第１冷媒内に漏れ出した潤滑油が第１蒸発器に滞留せず、潤滑油をその重力で第１圧縮機に戻すことができる。

【0013】

一態様では、前記多元冷凍サイクル装置は、前記第１冷凍サイクルと前記第２冷凍サイクルとの間で中間媒体を循環させるための中間媒体循環ラインをさらに備え、前記中間媒体循環ラインは、前記第１冷凍サイクルと前記第２冷凍サイクルとの間を延びている。
本発明によれば、第１冷凍サイクルの第１冷媒と第２冷凍サイクルの第２冷媒は、中間媒体を介して熱交換する。中間媒体には、第１冷媒の熱を第２冷媒に伝達することができる限りにおいて、第１冷媒および第２冷媒よりも取り扱いが容易な流体を使用することができる。したがって、中間媒体循環ラインには、樹脂チューブなどの柔軟性のある配管を使用することができる。結果として、製造コストを下げることができ、さらには第１冷凍サイクルと第２冷凍サイクルの配置の自由度が増す。中間媒体の温度（例えば、０℃～－８０℃）は、冷却媒体の温度（例えば、－３０℃～－１２０℃）よりも高いので、冷却配管を覆う保冷材に比べて、中間媒体循環ラインを覆う保冷材は簡易なものでよい。
また、中間媒体は、その体積に応じた熱的容量を有するので、第１冷媒と第２冷媒との間の熱的バッファとしても機能する。一般に、半導体デバイス製造装置の冷却に使用された冷却媒体の温度は変動し、これに応じて第１冷媒の温度も変動しやすい。中間媒体は、このような第１冷媒の温度の変動を吸収することができるので、多元冷凍サイクル装置の運転を安定させることができる。結果として、多元冷凍サイクル装置は、安定した温度の冷却媒体を半導体デバイス製造装置に供給することができる。

【0014】

一態様では、前記多元冷凍サイクル装置は、前記中間媒体循環ラインに接続されたバッファタンクをさらに備えている。
本発明によれば、中間媒体の熱的容量を増加させることができ、多元冷凍サイクル装置の運転をさらに安定させることができる。

【0015】

一態様では、前記中間媒体は、ブライン（不凍液）である。
本発明によれば、中間媒体循環ラインには、樹脂チューブなどの柔軟性のある安価な配管を使用することができる。結果として、製造コストを下げることができ、さらには第１冷凍サイクルと第２冷凍サイクルの配置の自由度が増す。

【0016】

一態様では、前記多元冷凍サイクル装置は、前記第１冷媒と前記第２冷媒とを熱交換するためのカスケードコンデンサをさらに備えている。
本発明によれば、カスケードコンデンサは第１冷凍サイクルの凝縮器が第２冷凍サイクルの蒸発器を兼ねているので、熱交換器を減らすことができ、多元冷凍サイクル装置の設置面積を減らすことができる。

【0017】

一態様では、前記第１冷凍サイクルは、前記冷却媒体と前記第１冷媒との間で熱交換を行い、気相の前記第１冷媒を生成するように構成された第１蒸発器と、前記気相の第１冷媒を圧縮するように構成された第１圧縮機と、圧縮された前記気相の第１冷媒を凝縮させて液相の前記第１冷媒を生成するように構成された第１凝縮器と、前記第１圧縮機と前記第１凝縮器の間に配置され、圧縮された前記気相の第１冷媒を冷却するための熱交換器を備えている。

【0018】

本発明によれば、前記気相の第１冷媒は第１凝縮器に入る前に予め冷却されるので、第１凝縮器での必要な冷却熱量が低下する。すなわち、中間媒体を使用した冷却熱量が低下することになるので、第２冷凍サイクルに要求される冷凍容量が小さくて済むことになる。このことは、第２冷凍サイクルの消費電力低減につながり、結果として多元冷凍サイクル装置の運転効率を向上できる。また、第２冷凍サイクルの冷凍能力を小さくできるため、結果として機器の設置面積を低減できる。さらに、冷却に使用した冷却水やブライン（不凍液）は、加熱されて熱交換器から排出されるので、加熱が必要な他の用途に利用でき、加熱のための消費電力も低減できる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、サブファブ内に設置される機器の設置面積を小さくすることができ、かつ半導体デバイス製造装置に冷却媒体を移送するための配管を短くすることができ、冷却配管用のスペースが小さくでき、かつ冷却効率が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】半導体デバイス製造装置を冷却するための多元冷凍サイクル装置の一実施形態を示す模式図である。

【図2】多元冷凍サイクル装置の一実施形態の詳細構造を示す模式図である。

【図3】多元冷凍サイクル装置の他の実施形態の詳細構造を示す模式図である。

【図4】多元冷凍サイクル装置のさらに他の実施形態の詳細構造を示す模式図である。

【図5】多元冷凍サイクル装置のさらに他の実施形態の詳細構造を示す模式図である。

【図6】多元冷凍サイクル装置のさらに他の実施形態の詳細構造を示す模式図である。

【図7】半導体デバイス製造装置と多元冷凍サイクル装置の従来の配置を説明するための模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、半導体デバイス製造装置を冷却するための多元冷凍サイクル装置の一実施形態を示す模式図である。図１に示す実施形態では、半導体デバイス製造装置１は、処理チャンバを備えたエッチング装置である。半導体デバイス製造装置１は、クリーンルーム内に配置されており、多元冷凍サイクル装置２の一部は、クリーンルームの下に存在するサブファブ内に配置されている。クリーンルームは上層階にあり、サブファブは下層階にある。

【0022】

多元冷凍サイクル装置２は、半導体デバイス製造装置１に冷却配管３により連結されている。多元冷凍サイクル装置２は、冷却配管３を通じて冷却媒体を半導体デバイス製造装置１（例えばエッチング装置の処理チャンバ）に送り、半導体デバイス製造装置１を冷却する。冷却媒体は、半導体デバイス製造装置１と多元冷凍サイクル装置２との間を循環する。すなわち、多元冷凍サイクル装置２により生成された低温（例えば、－３０℃～－１２０℃）の冷却媒体は、冷却配管３を通って半導体デバイス製造装置１に送られ、半導体デバイス製造装置１の冷却に使用された冷却媒体は冷却配管３を通って多元冷凍サイクル装置２に戻される。

【0023】

多元冷凍サイクル装置２は、冷却媒体と熱交換を行う第１冷媒が循環する第１冷凍サイクル５と、第１冷媒と熱交換を行う第２冷媒が循環する第２冷凍サイクル６を備えている。したがって、本実施形態の多元冷凍サイクル装置２は、二元冷凍サイクル装置である。一実施形態では、多元冷凍サイクル装置２は、３つ以上の冷凍サイクルを含んでもよい。

【0024】

第１冷凍サイクル５の全体はクリーンルーム内に配置されており、第２冷凍サイクル６の全体は、クリーンルームの階下にあるサブファブ内に配置されている。クリーンルーム内には、グレーチングなどの金属製の床７が配置されており、床７の下には床下スペース９がある。この床下スペース９は、クリーンルームの一部である。半導体デバイス製造装置１は床７の上に設置され、第１冷凍サイクル５は半導体デバイス製造装置１の周辺のスペースや床下スペース９内などに設置されている。

【0025】

本実施形態によれば、多元冷凍サイクル装置２の構成要素である第１冷凍サイクル５と第２冷凍サイクル６は、クリーンルームとサブファブとにそれぞれ配置されるので、サブファブ内に設置される機器の設置面積を小さくすることができる。また、第１冷凍サイクル５はクリーンルーム内に配置されるので、第１冷凍サイクル５から半導体デバイス製造装置１（例えばエッチング装置の処理チャンバ）に超低温の冷却媒体を移送するための冷却配管３を短くできる。結果として、冷却配管３用のスペースが小さくでき、かつ冷却効率が向上する。

【0026】

図２は、多元冷凍サイクル装置２の一実施形態の詳細構造を示す模式図である。図２に示すように、第１冷凍サイクル５は、液相の第１冷媒（冷媒液）を蒸発させて気相の第１冷媒（冷媒ガス）を生成する第１蒸発器１１と、気相の第１冷媒を圧縮する第１圧縮機１２と、圧縮された気相の第１冷媒を凝縮させて液相の第１冷媒を生成する第１凝縮器１４を備えている。第１蒸発器１１、第１圧縮機１２、および第１凝縮器１４は、第１冷媒配管１６によって連結されている。第１冷媒は、第１冷媒配管１６を通って第１蒸発器１１、第１圧縮機１２、第１凝縮器１４を循環する。

【0027】

第１冷凍サイクル５は、第１蒸発器１１と第１凝縮器１４との間に位置する第１膨張機構としての第１膨張弁１７をさらに備えている。第１膨張弁１７は、第１蒸発器１１と第１凝縮器１４との間を延びる第１冷媒配管１６の部分に取り付けられている。第１凝縮器１４から第１蒸発器１１に流れる第１冷媒は第１膨張弁１７を通過することで、第１冷媒の圧力と温度が低下する。第１膨張弁１７を通過した第１冷媒は、第１蒸発器１１に流入する。

【0028】

冷却配管３は、第１蒸発器１１に接続されており、第１蒸発器１１内で冷却媒体と第１冷媒との熱交換が行われる。この熱交換の結果、冷却媒体は冷却されて低温（例えば、－３０℃～－１２０℃）となり、その一方で第１冷媒は冷却媒体により加熱されて蒸発し、冷媒ガスとなる。冷却された冷却媒体は、冷却配管３を通って半導体デバイス製造装置１に送られ、冷媒ガスは、第１冷媒配管１６を通って第１圧縮機１２に送られる。第１圧縮機１２は、冷媒ガスを圧縮し、圧縮された冷媒ガスを第１凝縮器１４に送る。第１凝縮器１４では、後述するように、冷媒ガスは、凝縮されて冷媒液となる。

【0029】

第２冷凍サイクル６は、液相の第２冷媒（冷媒液）を蒸発させて気相の第２冷媒（冷媒ガス）を生成する第２蒸発器２１と、気相の第２冷媒を圧縮する第２圧縮機２２と、圧縮された気相の第２冷媒を凝縮させて液相の第２冷媒を生成する第２凝縮器２４を備えている。第２蒸発器２１、第２圧縮機２２、および第２凝縮器２４は、第２冷媒配管２６によって連結されている。第２冷媒は、第２冷媒配管２６を通って第２蒸発器２１、第２圧縮機２２、第２凝縮器２４を循環する。

【0030】

多元冷凍サイクル装置２は、第１冷凍サイクル５と第２冷凍サイクル６との間で中間媒体を循環させるための中間媒体循環ライン３１をさらに備えている。中間媒体循環ライン３１は、第１冷凍サイクル５と第２冷凍サイクル６とに接続されている。より具体的には、中間媒体循環ライン３１は、中間媒体を第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１から第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４に送るための送りライン３１Ａと、中間媒体を第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４から第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１に戻すための戻りライン３１Ｂを有している。送りライン３１Ａの一端は第１凝縮器１４に接続され、送りライン３１Ａの他端は第２蒸発器２１に接続されている。戻りライン３１Ｂの一端は第１凝縮器１４に接続され、戻りライン３１Ｂの他端は第２蒸発器２１に接続されている。

【0031】

中間媒体は、中間媒体循環ライン３１を通って第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４と第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１との間を循環する。気相の第１冷媒（冷媒ガス）と中間媒体は、第１凝縮器１４内で熱交換を行う。その結果、気相の第１冷媒は、中間媒体に冷却されて液相の第１冷媒（冷媒液）となる。中間媒体は、第１冷媒に加熱されて温度が上昇する。

【0032】

第１冷媒に加熱された中間媒体と、液相の第２冷媒（冷媒液）は、第２蒸発器２１内で熱交換を行う。その結果、液相の第２冷媒は、中間媒体に加熱されて気相の第２冷媒（冷媒ガス）となり、その一方で、中間媒体は、第２冷媒に冷却されて温度が低下する。冷却された中間媒体は、中間媒体循環ライン３１を通って第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４に送られる。冷却された中間媒体と第１冷媒は、第１凝縮器１４内で熱交換を行う。このようにして、中間媒体は、中間媒体循環ライン３１を通って第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４と第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１との間を循環する。第２蒸発器２１から第１凝縮器１４に向かって流れる中間媒体の温度は、例えば、０℃～－８０℃である。

【0033】

第２蒸発器２１では、第２冷媒は中間媒体により加熱されて蒸発し、冷媒ガスとなる。この冷媒ガスは、第２冷媒配管２６を通って第２圧縮機２２に送られる。第２圧縮機２２は、冷媒ガスを圧縮し、圧縮された冷媒ガスを第２凝縮器２４に送る。第２凝縮器２４では、図示しない冷却水源から供給される冷却水と、冷媒ガス（気相の第２冷媒）と熱交換が行われる。その結果、冷媒ガスは、凝縮されて冷媒液となる。

【0034】

上述したように、第１冷凍サイクル５の第１冷媒と第２冷凍サイクル６の第２冷媒は、中間媒体を介して熱交換する。中間媒体は、第１冷媒および第２冷媒とは異なる種類の液体である。より具体的には、中間媒体は、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）液、またはエチレングリコール液などのブライン（不凍液）である。したがって、中間媒体は、液相のまま中間媒体循環ライン３１を循環する。

【0035】

中間媒体には、第１冷媒の熱を第２冷媒に伝達することができる限りにおいて、第１冷媒および第２冷媒よりも取り扱いが容易なブライン（不凍液）を使用することができる。したがって、中間媒体循環ライン３１には、樹脂チューブなどの柔軟性のある安価な配管を使用することができる。結果として、製造コストを下げることができ、さらには第１冷凍サイクル５と第２冷凍サイクル６の配置の自由度が増す。また、中間媒体の温度（例えば、０℃～－８０℃）は、冷却媒体の温度（例えば、－３０℃～－１２０℃）よりも高いので、冷却配管３を覆う保冷材に比べて、中間媒体循環ライン３１を覆う保冷材は簡易なものでよい。

【0036】

また、中間媒体は、その体積に応じた熱的容量を有するので、第１冷媒と第２冷媒との間の熱的バッファとしても機能する。一般に、半導体デバイス製造装置１の冷却に使用された冷却媒体の温度は変動し、これに応じて第１冷媒の温度も変動しやすい。中間媒体は、このような第１冷媒の温度の変動を吸収することができるので、多元冷凍サイクル装置２の運転を安定させることができる。結果として、多元冷凍サイクル装置２は、安定した温度の冷却媒体を半導体デバイス製造装置１に供給することができる。

【0037】

第２冷凍サイクル６は、第２蒸発器２１と第２凝縮器２４との間に位置する第２膨張機構としての第２膨張弁２７をさらに備えている。第２膨張弁２７は、第２蒸発器２１と第２凝縮器２４との間を延びる第２冷媒配管２６の部分に取り付けられている。第２凝縮器２４から第２蒸発器２１に流れる第２冷媒は第２膨張弁２７を通過することで、第２冷媒の圧力と温度が低下する。第２膨張弁２７を通過した第２冷媒は、第２蒸発器２１に流入する。

【0038】

図３は、多元冷凍サイクル装置２のさらに他の実施形態の詳細構造を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図１および図２を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図３に示す実施形態では、第１冷凍サイクル５の一部は、クリーンルーム内に配置され、第１冷凍サイクル５の他の部分は、サブファブ内に配置されている。本実施形態では、第１蒸発器１１および第１膨張弁１７は、クリーンルーム内に配置され、第１圧縮機１２および第１凝縮器１４は、サブファブ内に配置されている。中間媒体循環ライン３１の全体もサブファブ内に配置されている。

【0039】

本実施形態は、クリーンルームの設置面積が小さい場合に有利である。また、本実施形態によれば、階下のサブファブ内に第１圧縮機１２と第１凝縮器１４が配置され、階上のクリーンルーム内に第１蒸発器１１が配置されるので、第１圧縮機１２から第１冷媒内に漏れ出した潤滑油が第１蒸発器１１に滞留せず、潤滑油をその重力で第１圧縮機１２に戻すことができる。また、第１冷凍サイクル５において、低温となる構成要素である第１蒸発器１１、第１膨張弁１７をクリーンルーム内に配置することで第１冷凍サイクル５から半導体デバイス製造装置１に冷却媒体を移送するための冷却配管３を短くできる。

【0040】

図４に示すように、一実施形態では、多元冷凍サイクル装置２は、中間媒体循環ライン３１に接続されたバッファタンク３２をさらに備えてもよい。図４に示す実施形態では、バッファタンク３２は、中間媒体を第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４から第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１に戻すための戻りライン３１Ｂに接続されている。バッファタンク３２は、設置面積に余裕があるサブファブ内に配置されている。第１冷凍サイクル５の第１凝縮器１４を出た中間媒体は、一旦バッファタンク３２内に貯留され、その後バッファタンク３２から第２冷凍サイクル６の第２蒸発器２１に戻される。

【0041】

本実施形態によれば、バッファタンク３２の容積分だけ中間媒体の体積が増えるので、中間媒体の熱的容量が増加し、多元冷凍サイクル装置２の運転をさらに安定させることができる。図４に示すバッファタンク３２は、図３の実施形態に組み込んでもよい。

【0042】

図５は、多元冷凍サイクル装置２のさらに他の実施形態の詳細構造を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図２を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図５に示す実施形態では、第１冷凍サイクル５の凝縮器と、第２冷凍サイクル６の蒸発器は、共通のカスケードコンデンサ４０から構成されている。カスケードコンデンサ４０は、第１冷凍サイクル５の凝縮器が第２冷凍サイクル６の蒸発器を兼ねている熱交換器であり、サブファブ内に配置されている。一実施形態では、クリーンルーム内の設置面積に余裕がある場合は、第１冷凍サイクル５の第１蒸発器１１、第１圧縮機１２、第１膨張弁１７、およびカスケードコンデンサ４０は、クリーンルーム内に配置されてもよい。

【0043】

本実施形態では、中間媒体循環ライン３１は設けられていない。第１冷凍サイクル５の第１冷媒配管１６と、第２冷凍サイクル６の第２冷媒配管２６の両方は、カスケードコンデンサ４０に接続されている。第１冷凍サイクル５を循環する第１冷媒および第２冷凍サイクル６を循環する第２冷媒は、カスケードコンデンサ４０を流れ、カスケードコンデンサ４０内で第１冷媒と第２冷媒との熱交換が行われる。カスケードコンデンサ４０は第１冷凍サイクル５の凝縮器が第２冷凍サイクル６の蒸発器を兼ねているので、熱交換器を減らすことができ、多元冷凍サイクル装置２の設置面積を減らすことができる。

【0044】

図６は、多元冷凍サイクル装置２のさらに他の実施形態の詳細構造を示す模式図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図２を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、第１冷凍サイクル５の第１圧縮機１２と第１凝縮器１４の間に熱交換器５０が設置される。熱交換器５０は、第１圧縮機１２と第１凝縮器１４の間を延びる第１冷媒配管１６の部分に接続されている。この熱交換器５０には冷却水やブライン（不凍液）などの冷却液と、圧縮された前記気相の第１冷媒が流れ、冷却液と気相の第１冷媒との熱交換が行われる。冷却液との熱交換により冷却された気相の第１冷媒は第１凝縮器１４に導かれる。

【0045】

このように、気相の第１冷媒は第１凝縮器１４に入る前に予め冷却されるので、第１凝縮器１４での必要な冷却熱量が低下する。すなわち、中間媒体を使用した冷却熱量が低下することになるので、第２冷凍サイクル６に要求される冷凍容量が小さくて済むことになる。このことは、第２冷凍サイクル６の消費電力低減につながり、結果として多元冷凍サイクル装置２の運転効率を向上できる。また、第２冷凍サイクル６の冷凍能力を小さくできるため、結果として機器の設置面積を低減できる。さらに、気相の第１冷媒の冷却に使用した冷却水やブライン（不凍液）などの冷却液は、加熱されて熱交換器５０から排出されるので、加熱が必要な他の用途に利用でき、加熱のための消費電力も低減できる。

【0046】

熱交換器５０は、図３乃至図５を参照して説明した実施形態にも適用することができる。例えば、熱交換器５０は、図５に示す第１圧縮機１２とカスケードコンデンサ４０との間に配置されてもよい。

【0047】

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

【符号の説明】

【0048】

１ 半導体デバイス製造装置
２ 多元冷凍サイクル装置
３ 冷却配管
５ 第１冷凍サイクル
６ 第２冷凍サイクル
７ 床
９ 床下スペース
１１ 第１蒸発器
１２ 第１圧縮機
１４ 第１凝縮器
１６ 第１冷媒配管
１７ 第１膨張弁
２１ 第２蒸発器
２２ 第２圧縮機
２４ 第２凝縮器
２６ 第２冷媒配管
２７ 第２膨張弁
３１ 中間媒体循環ライン
３１Ａ 送りライン
３１Ｂ 戻りライン
３２ バッファタンク
４０ カスケードコンデンサ
５０ 熱交換器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】