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公開番号2025124448
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-26
出願番号2024020517
出願日2024-02-14
発明の名称液体窒素凝縮による冷凍サイクル
出願人個人
代理人個人
主分類F25B 1/00 20060101AFI20250819BHJP(冷凍または冷却;加熱と冷凍との組み合わせシステム;ヒートポンプシステム;氷の製造または貯蔵;気体の液化または固体化)
要約【課題】温度制御対象を所定温度に制御する循環液の目標温度が極低温でも、要求される高冷却能力を省スペース内で実現可能な冷凍サイクルを提供する。
【解決手段】冷媒を気化させて熱交換によって循環液を目標温度以下に冷却する蒸発器7と、気化した冷媒を凝縮可能な高圧、高温に圧縮するコンプレッサー4と、高圧、高温の冷媒を凝縮する凝縮器5と、凝縮した冷媒を低圧、低温にする膨張弁6を具備した循環回路1を用い、冷媒を循環させながら冷媒を、蒸発器7内で気化し、気化した冷媒をコンプレッサー4で圧縮して高圧、高温にし、高圧、高温にした冷媒を凝縮器5で冷却液によって冷却して凝縮して高圧、高温の液状にし、液化した冷媒を膨張弁6で膨張させて低圧、低温にし、低圧、低温にした冷媒を再び蒸発器7で気化するサイクルを繰り返す冷凍サイクルにおいて、液体窒素を用いて凝縮器5における冷媒の凝縮を行う。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
極低温に調節した循環液を、各種の装置、プロセス等の温度制御を必要とする制御対象に循環させることで、前記制御対象を予め設定した設定温度に維持するために用いる冷凍サイクルであって、
冷媒を循環させる循環用の配管（３）の途上に配置した、
循環液が循環する循環液用回路（９）が連結され、冷媒を気化することで循環液を目標温度に冷却するための蒸発器（７）と、
気化した冷媒を圧縮して高圧、高温にするためのコンプレッサー（４）と、
冷却液を供給するための冷却液供給回路（８）が連結され、該冷却液供給回路（８）により供給された冷却液によって、前記コンプレッサー（４）により高圧、高温になった冷媒を熱交換により凝縮するための凝縮器（５）と、
該凝縮器（５）で液化された冷媒を低圧、低温にし、低圧、低温にした冷媒を前記蒸発器（７）に供給するための膨張弁（６）と、を具備した循環回路（１）を用いて、
循環回路（１）内で冷媒を循環させながら、循環させている冷媒を、
蒸発器（７）内で気化し、気化熱の作用で蒸発器（７）において循環液から吸熱することで循環液の温度を目標温度以下にした後にヒーター（１８）で目標温度に循環液の温度を制御し、
蒸発器（７）で気化した冷媒をコンプレッサー（４）で凝縮可能な高圧、高温に圧縮して、高圧、高温にした冷媒を凝縮器（５）において冷却液によって冷却して凝縮して高圧の液にし、液化した冷媒を膨張弁（６）で膨張させて低圧、低温にし、低圧、低温にした冷媒を再び蒸発器（７）で気化することで、蒸発器において循環液から吸熱して循環液の温度を目標温度以下にし、ヒーター（１８）で目標温度にする、サイクルを繰り返す冷凍サイクルにおいて、
前記凝縮器において冷媒を凝縮するために、
冷却液を凝縮器（５）供給するための前記冷却液供給回路（８）に液体窒素を流すことで、凝縮器（５）において、液体窒素によって冷媒を凝縮する、ことを特徴とする液体窒素凝縮による冷凍サイクル。
続きを表示（約 500 文字）【請求項２】
前記循環液の目標温度がマイナス７０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の液体窒素凝縮による冷凍サイクル。
【請求項３】
前記コンプレッサー（４）としてインバータコンプレッサーを用いるとともに、前記膨張弁（６）として電子膨張弁を用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体窒素凝縮による冷凍サイクル。
【請求項４】
予め、循環液の目標温度を複数のエリアに分割しておくとともに、前記インバータコンプレッサー（４）の運転周波数、電子膨張弁（６、１２、１４）の開度を前記分割したエリアに応じてパラメータ化して設定しておき、循環液の目標温度に応じて、インバータコンプレッサー（４）の運転周波数、電子膨張弁（６、１２，１４）の開度を、パラメータに従って自動で調節する、ことを特徴とする請求項３に記載の液体窒素凝縮による冷凍サイクル。
【請求項５】
前記インバータコンプレッサー（４）の運転周波数、電子膨張弁（６、１２、１４）の開度のパラメータを遠隔操作で設定可能としたことを特徴とする請求項４に記載の液体窒素凝縮による冷凍サイクル。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体製造装置等の極低温プロセス等の温度を制御するために用いられる多段冷凍サイクルにおける、装置の小型化を実現させるための冷凍サイクルに関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
周知の通り、半導体製造に際しては、各工程内において、温度を一定に制御する必要があり、そのために、液温を管理した循環液を循環させることで温度制御を行う温度調節装置が用いられており、この温度調節装置は一般的にチラーと呼ばれている。
【０００３】
そして、チラーは一般的に、温度制御の対象となるプロセス等に供給する循環液の温度を所定温度（以下「目標温度」という。）に調節するための冷凍サイクルを有しており、この冷凍サイクルは、コンプレッサー、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を備えた循環回路内で冷媒を循環させながら、循環させている過程で、コンプレッサー、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器によって冷媒の圧縮、凝縮、膨張及び蒸発を繰り返すサイクルによって、循環液の温度を冷却し、ヒーター等によって循環液の温度を目標温度に調節している。
【０００４】
例えば、図５は一般的なチラーを示した図であり、図において３１が冷媒を循環させるための循環回路であり、この循環回路３１は周知のように、コンプレッサー３２、凝縮器３３、膨張弁３４、及び蒸発器３５を循環用の配管３６で連結した構成としており、冷媒を配管３６内で循環させこととしている。また、蒸発器３５には、気化した冷媒によって循環液を冷却するための循環液用回路３７が連結されており、凝縮器３３には、冷媒を冷却するための冷却液用回路３８が連結されている。なお、循環液用回路３７は蒸発器に循環液を供給するための供給路３７ａと、目標温度に調節された循環液を温度制御の対象となるプロセス等に戻すための循環路３７ｂを備えており、更に、冷却液用回路３８は、凝縮器３３に冷却水を供給するための供給路３８ａと冷媒を凝縮した冷却水を冷却水の供給源に戻すための戻し路３８ｂを備えている。
【０００５】
そして、配管３６内で冷媒を循環させながら、冷媒を蒸発器３５内で気化し、蒸発器３５で気化した冷媒をコンプレッサーで圧縮して高圧、高温にし、高圧、高温にした冷媒を凝縮器で冷却して凝縮して高圧の液状にし、液化した冷媒を膨張弁で膨張させて低圧、低温にし、低圧、低温にした冷媒を再び蒸発器で気化することで、気化熱の作用で蒸発器において循環液から吸熱し、それにより循環液の温度を目標温度にする冷凍サイクルを繰り返す。
【０００６】
ところで、チラーにより調節する循環液の目標温度は、マイナス７０度からマイナス８０度、あるいはマイナス１００度の極低温の場合がある。そのために、このような冷却対象の温度が極低温の場合には、通常の単段冷凍サイクルでは、循環液を目標とする温度にまで冷却することが出来ない。
【０００７】
即ち、コンプレッサーによって高圧、高温にされた冷媒を凝縮器で凝縮して高圧、高温の液体にするためには、一般的に、冷水を用いて冷媒を冷却することとしている。例えば、目標温度がマイナス４０℃以上の場合を想定すると、この場合は、冷媒の蒸発温度はマイナス４５℃程度であり、凝縮温度は３０℃程度であるため、コンプレッサーから供給される高圧、高温の冷媒を凝縮して液化するための凝縮温度は３０℃程度であるため、空気や水による凝縮が可能である。
【０００８】
しかし、目標温度がマイナス７０度以下の極低温の場合は、前述の単段冷凍サイクルでは、循環液の温度を目標温度以下に冷却することが困難である。例えば、冷却対象温度がマイナス７０度からマイナス８０度の場合を例にとると、この場合には、蒸発温度をマイナス８０度以下にする必要があり、この場合の冷媒の凝縮温度はマイナス１０度以下が必要になる。そのために、冷媒の凝縮は水や空気では不可能であるため、単段冷凍サイクルを多段に組み合わせた多段冷凍サイクルを用いたチラーが必要となる。
【０００９】
この多段冷凍サイクルについて説明すると、例えば、冷却対象温度がマイナス６０℃の場合を想定すると、蒸発温度がマイナス７０℃程度であり、凝縮温度はマイナス１０℃程度となる。そのために、コンプレッサーから供給される高圧、高温のガスを凝縮器において凝縮する場合の凝縮温度はマイナス１０℃程度となり、水や空気による凝縮は不可能であるため、単段冷凍サイクルでは、循環液の温度を目標温度にすることが困難である。
【００１０】
そこで、多段冷凍サイクルでは、冷凍サイクルを例えば、低段側冷凍サイクルと高段側冷凍サイクルの２段にし（二段冷凍サイクル）、高段側冷凍サイクルの蒸発器と低段側冷凍サイクルの凝縮器を兼用して、低段側冷凍サイクルにおける冷媒の凝縮を高段側冷凍サイクルの冷媒で行うこととし、あるいは、低段側冷凍サイクルと中段側冷凍サイクルと高段側冷凍サイクルの３段にし（三段冷凍サイクル回路）、低段側冷凍サイクルの凝縮器と中段側冷凍サイクルの蒸発器を兼用して、更に、中段側冷凍サイクルの凝縮器と高段側冷凍サイクルの蒸発器を兼用して、低段側冷凍サイクルにおける冷媒の凝縮を中段側冷凍サイクルの冷媒で行うこととして、中段側冷凍サイクルにおける冷媒の凝縮を高段側冷凍サイクルの冷媒で行うこととしており、これにより、循環液の目標温度が極低温の場合でも十分に対応することを可能としている。
（【００１１】以降は省略されています）

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