JP4563237B2

JP4563237B2 - 冷却システム

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Publication number: JP4563237B2
Application number: JP2005100385A
Authority: JP
Inventors: 陽介濱田
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006283992A

Description

本発明は、チラーユニット等の冷却システムに関し、特に、ガルデン（商品名、以下同様）、フロリナート（商品名、以下同様）等のフッ素の表面張力の小さい室温の冷媒を０°C以下の低温にしたとき、この冷媒から析出される氷によって、流量調整弁等の機器が氷詰まりを起こさないようした冷却システムに関する。

ガルデン、フロリナート等の表面張力の小さいフッ素系の冷媒は、例えば、半導体素子の電気試験(機能試験)等に使用されるプローバの温度を制御する冷却液等に用いられている。ＩCなど、ほとんどの半導体素子はシリコンウエハー上に作られており、１つの機能を持った半導体素子は、シリコンウエハーから切り出される前または後あるいは前後ともに、最終的な電気試験（機能試験）が行われ、その特性が計られ、良否の判定が行われている。この試験では、ウエハーの移動と、加熱・冷却の温度調節を行うプローバと呼ばれる装置が使われている。プローバ内部には３次元方向に精密に移動可能なテーブル（Ｘ―Ｙ―Zテーブル）があり、このテーブルには、テストするウエハーを把持するチャックが取り付けられている。このプローバは、テストするウエハーの温度を、例えば−７０°C〜２００°Cの範囲で設定できるようになっている。

このプローバの設定温度の制御は、電気ヒータによるチャックの加熱と、冷却液によるチャックの冷却とによって行われている。このチャックを加熱・冷却する従来のシステムの一例を図３の冷却システムのフロー図に基づいて説明する。図３において、Cはチラーユニットであり、Ｐはプローバである。なお、図３では、説明の都合上、チラーユニットCや冷凍機２やプローバＰのケーシングなどは２点鎖線で示し、低温タンク４や常温タンク８などはタンクの内部が見える形で記載してある。

チラーユニットＣは、その筺体１内に、熱交換器３を備えた冷凍機２と、冷却液としてガルデン、フロリナート等のフッ素系の表面張力の小さい冷媒Ｒが貯留される断熱性の低温タンク４と、この冷媒Ｒを循環させる循環ポンプ５と、熱交換器３で冷却される低温冷媒の流量を制御する流量調整弁６と、低温タンク４内の冷媒Ｒの温度を検出する温度センサー７と、低温タンク４に冷媒を補給する常温タンク８と、常温タンク８の冷媒を低温タンク４に補給する補給ポンプ９とを備えている。なお、低温タンク４と常温タンク８は、それぞれ冷媒タンクとして総称されるものである。

熱交換器３は、二重管（図示せず）から構成されており、その内管の中を冷凍機２の冷媒が流れ、内管と外管との間に形成される流路に低温タンク４からの冷媒が流れるようになっている。二重管からなる熱交換器３は、内管と外管との間に冷却フィンを設けたものであってもよいし、冷却フィンを設けないものであってもよい。また、低温タンク４からの冷媒を内管の中へ、内管と外管との間に形成される流路に冷凍機２からの冷媒が流れるようにしてもよい。

低温タンク４と常温タンク８は、密閉あるいはほぼ密閉に構成されており、それぞれ上部に大気に開放する大気開放チューブ１０，１１が設けられている。この大気開放チューブ１０，１１は、低温タンク４や常温タンク８の液面が上昇や下降して、低温タンク４や常温タンク８内に圧力の変動が生じたとき、その圧力の変動を吸収するようになっている。また、低温タンク４には、常温タンク８に接続するオーバフロー管１２が設けられている。低温タンク４内の冷媒Ｒが不足した場合には、補給ポンプ９を駆動し、常温タンク８内の冷媒を補給ホース９ａを通して低温タンク４に供給するようになっている。なお、４ａは低温タンク４の冷媒液面，８ａは常温タンク８の冷媒液面を示す。

循環ポンプ５は、そのポンプ部が、低温タンク４に貯留された冷媒Ｒの中に位置し、駆動部が低温タンク４の外側に位置するように低温タンク４に取り付けられている。循環ポンプ５の吸入口（図示せず）は、低温タンク４内に開口し、その吐出口５ａは、冷媒循環ホース１３（往き管）によって熱交換器入口３ａに接続されるとともに、冷媒循環ホース１３から分岐した冷却液供給ホース１５によって後述するプローバＰに接続されている。

流量調整弁６は、図６に示すように、ステンレス製のケーシング６ａの上部に駆動部６ｂを有し、その下部に弁部を有している。この弁部は、ケーシング６ａの底部に開口する冷媒入口６ｃと、冷媒入口６ｃより上方でケーシング６ａの側面に開口する冷媒出口６ｄと、冷媒入口６ｃと冷媒出口６ｄを連通する冷媒流路６ｅと、冷媒流路６ｅの途中に形成したケーシング６ａと一体の弁座６ｆと、弁座６ｆの下部に配置され、弁座の６ｆの下方から弁座６ｆに離接して冷媒流路６ｅを開閉する樹脂製の弁体６ｇから構成されている。弁体６ｇは、弁棒６ｈによって駆動部６ｂに連結されるとともに、その下方から復帰スプリング６ｉによって弁座６ｆ側に付勢されている。また、弁体６ｇは、ケーシング６ａの底部から突接されたガイド部材６ｊによって案内されるようになっている。なお、図６の６ｋはケーシング６ａに設けた断熱材である。

このように構成された流量調整弁６は、駆動部６ｂが低温タンク４の外部に位置し、弁部が低温タンク４内に位置するように低温タンク４に取り付けられている。また流量調整弁６の冷媒入口６ｃは低温タンク４内の冷媒液面４ａより下方に位置し、その冷媒出口６ｄは冷媒液面４ａより上方に位置する。この流量調整弁６の冷媒入口６ｃは、継手１４ａを介して、熱交換器出口３ｂに接続された冷媒循環ホース１４（戻り管）に接続されている。流量調整弁６の冷媒出口６ｄは、低温タンク４内に開口している。

冷媒循環ホース１３、１４は、ＳＵＳ等の材料から形成されており、低温タンク４から上方に立ち上がり、次いでほぼ水平に延びて熱交換器３に接続するようにチラーユニットの筺体１の中に配管されている。なお、図３において、２ａは、冷媒循環ホース１３用に冷凍機２の外壁に設けた管継手であり、２ｂは、同様に、冷媒循環ホース１４用に冷凍機２の外壁に設けた管継手である。また、４ｂは、冷媒循環ホース１３用に低温タンク４の外壁に設けた管継手であり、４ｃは、冷媒循環ホース１４用に低温タンク４の外壁に設けた管継手である。

プローバＰは、３次元方向に精密に移動可能なテーブルすなわちＸ―Ｙ―Zテーブル（図示せず）と、このテーブルに取り付けられ、テストするウエハーを把持するチャック１７と、チャック１７の温度を検出する温度センサー１８と、チャック１７を加熱するヒータ１９と、冷却液によってチャック１７を冷却する冷却部２０とを備えている。

冷却部２０は、その冷却液入口（図示せず）がチャック接続ホース２１（往き管）に接続され、その冷却液出口（図示せず）がチャック接続ホース２２（戻り菅）に接続されている。さらに、チャック接続ホース２１は、冷却液循環ポンプの吐出口４ａに接続する冷却液供給ホース１５（往き管）に継手２３を介して接続され、チャック接続ホース２２は、低温タンク４に連通する冷却液供給ホース１６（戻り菅）に継手２３を介して接続されている。チャック接続ホース２１，２２は、プローバＰのテーブルの移動に追随できるようにテフロン（登録商標）樹脂等の可撓性の材料から形成されている。冷却液供給ホース１５，１６は、ＳＵＳ等の材料によって形成されている。なお、図３において、４ｄは冷却液供給ホース１６用に低温タンク４の外壁に設けた継手である。

このように構成されたシステムでは、チャック１７の設定温度、すなわちプローバＰの設定温度が例えば約４０°Ｃ以上の場合は、ヒータ１９のみによって、チャック１７の温度制御が行われ、それ未満の場合は、ヒータ１９と冷却部２０とによってチャック１７の温度制御が行われる。ヒータ１９のみによって温度制御を行う場合には、プローバＰに設けた温度センサー１８でチャック１７の温度を検出し、チャック１７の温度が設定温度になるようにヒータ１９を制御する。

ヒータ１９と冷却部２０とでチャック１７の温度制御を行う場合には、冷凍機２と循環ポンプ５を運転する。循環ポンプ５によって吸引された低温タンク４内の冷媒Ｒは、冷媒循環ホース１３を通って冷凍機２に設けた熱交換器３に供給されると同時に、冷却液供給ホース１５及びチャック接続ホース２１を通ってプローバＰに設けたチャック１７の冷却部２０に供給される。低温タンク４から熱交換器３に供給された冷媒は、熱交換器３で冷却された後、冷媒循環ホース１４、流量調整弁６を通って低温タンク４内に戻される。他方、チャック１７の冷却部２０に冷却液として供給された冷媒は、チャック１７を冷却した後、チャック接続ホース２２及び冷却液供給ホース１６を通って低温タンク４内に戻される。

この時、流量調整弁６は、例えば５秒おきに出される開指令に基づいて開閉するようになっており、この開指令によって、駆動部６ｂは、復帰スプリング６ｉの付勢に抗して弁体６ｇが弁座６ｆから離れて所定時間冷媒流路６ｅを開くように弁体６ｇを駆動する。冷媒流路６ｅが開かれると、熱交換器３で冷却された低温冷媒が冷媒出口６ｄを通って低温タンク４内に供給される。所定時間が経過すると、駆動部６ｂによって弁体６ｇが駆動されなくなるので、図４に示すように、弁体６ｇは、復帰スプリング６ｉの付勢力によって復帰して冷媒流路６ｅを閉じるようになる。流量調整弁６は、このような開閉を繰り返し、低温タンク４内の冷媒Ｒの温度がチャック１７の設定温度に対応した温度になるように、熱交換器３で冷却された冷媒を低温タンク４に供給する。弁体６ｇが開かれている時間、すなわち、開を維持する時間は、プローバPの設定温度に対応しており、プローバＰの設定温度が高いほどその時間は短くなる。低温タンク４内の冷媒Ｒの温度は、温度センサー７によって監視されている。

このように温度調整された低温タンク４内の冷媒Ｒを冷却液としてチャック１７に供給することによって、プローバの設定温度を維持する。同時に、温度センサー１８でチャック１７の温度を検出し、検出したチャック１７の温度が設定温度より低い場合には、設定温度になるようにヒータ１９を運転する。

冷媒循環装置に関連する先行技術文献として次の特許文献１があり、半導体検査装置に関連する先行技術文献として次の特許文献２，３がある。
特開平２００３−１４８８５２号公報特開平２−１４７９７３号公報特開平２−１４７９７４号公報

前述のように構成された冷却システムにおいて、低温タンク４の冷媒温度が室温程度になる条件でシステムを運転しているとき、低温タンク４内の冷媒温度が異常に低下し、チャック１７の設定温度を維持するのが困難になるという現象が生じた。発明者らが、その原因を分析したところ、図５に示すように、流量調整弁６への氷Kの詰まりが生じており、この氷Kの詰まりによって流量調整弁６の閉動作が妨げられ、熱交換器３で冷却された低温冷媒が流量調整されないまま低温タンク４に流れ込み、低温タンク４内の冷媒Ｒが冷却されすぎていることが分かった。

さらに、この現象を分析したところ、この流量調整弁６への氷Kの詰まりは、次のようにして生じていることが分かった。例えば、図３に示すように、プローバＰの設定温度Ｔ０を３０°Ｃに設定して冷却システムを運転した場合、チャック１７には、約２７°Ｃ（＝Ｔ２）の冷媒を冷却液として供給する必要がある。一方、低温タンク４から熱交換器３に供給された冷媒は、熱交換器３で約−７５°Ｃ（＝Ｔ４）まで冷却され、冷媒循環ホース１４を通って約−７０°Ｃ（＝Ｔ4）の温度となって低温タンク４に戻される。流量調整弁６は、プローバＰに２７°Ｃ（＝Ｔ２）の冷却液を供給するため、低温タンク４内の冷媒温度Ｔ１を約２３°Ｃに維持するように熱交換器３に供給される冷媒の流量を調整する。

ところで、ガルデンやフロリナート等の表面張力の小さいフッ素系の冷媒は、室温状態では、空気から水分を吸収しやすいという性質を持っており、前述したように低温タンク４内の冷媒温度を約２３°Ｃの室温程度に維持したとき、低温タンク４内に存在する湿った空気から水分を吸収するようになる。この低温タンク４内で水分を吸収した室温の冷媒が、前述したように熱交換器３で０°Ｃ以下の低温に冷却されると、冷媒から水が析出し、この水は熱交換器３で冷却されて氷になる。この氷は、冷却された低温冷媒とともに冷媒供給ホース１４を流れて流量調整弁６に運ばれることがある。特に、フィンを備えていない二重管から構成された熱交換器３の場合、流量調整弁６に運ばれる氷の量が多いことが分かった。

氷を含んだ低温冷媒Ｒ１が流量調整弁６を通るようになると、図７に示すように、流量調整弁６の開時に、流量調整弁６の弁座６ｆと弁体６ｇの間に氷Kが噛み込み、弁座６ｆと弁体６ｇが凍りついて、弁体６ｇの復帰が妨げられという流量調整弁６の異常を起こすことがある。このような異常が発生すると、熱交換器３で冷却された約−７０°Ｃ（＝Ｔ4）の氷を含んだ低温冷媒Ｒ１が流量調整されずに低温タンク４にそのまま流れ込むため、低温タンク４内の冷媒温度Ｔ１が約２３°Ｃより大きく低下して、プローバＰの設定温度を３０°Ｃに維持できなくなる。

また、氷を含んだ低温冷媒Ｒ１が流量調整弁６に運ばれて弁座６ｆと弁体６ｇの間を流れるとき、弁座６ｆと弁体６ｇが直接凍りつき、弁体６ｇが弁座６ｆに着座したまま、弁体６ｇの開閉ができないという流量調整弁６の異常を起こすことも考えられる。このような異常が発生すると、熱交換器３で冷却された冷媒が低温タンク４に供給されず、逆に、低温タンク４内の冷媒温度Ｔ１が約２３°Ｃより大きく上昇して、プローバＰの設定温度を３０°Ｃに制御できなくなる。

なお、フッ素系の冷媒に含まれる水分の影響を排除するため、フッ素系の冷媒に含まれる水分を水の状態で吸収するフィルタが存在するが、水を吸収するフィルタの場合、水を吸収したフィルタを水のない状態に再生することが困難であり、フィルタの交換が必要となるため、メンテナンスが容易でないという問題がある。

本発明の課題は、ガルデンやフロリナート等の表面張力の小さいフッ素系の冷媒を循環させて熱交換器で冷却する冷却システムにおいて、室温の冷媒を熱交換器によって０°C以下の低温にした場合、この冷媒から水が析出し氷になるが、この氷によって流量調整弁等の機器に氷詰まりが起きないようにした冷却システムを提供することにある。特に、冷媒タンク内を水分含有量の少ない空気で満たせば、氷の発生を抑えることができるという新たな知見に基づいて、流量調整弁等の機器に氷詰まりが起きないようにした冷却システムを提供することにある。

本発明の課題を解決するための手段は、特許請求の範囲の請求項１（以下、「請求項１」などという）のように、冷媒タンクに貯留された表面張力の小さいフッ素系の冷媒を冷凍機の熱交換器で冷却し、該冷却した冷媒を流量調整弁等の機器を介して前記冷媒タンクに戻すようにした冷却システムにおいて、前記冷媒タンク内に水分含有量が露点温度−４０°C以下の乾燥空気を供給するエアブロータンクを前記冷媒タンクに接続し、前記エアブロータンクに、減圧手段によって弱い正圧に減圧された前記乾燥空気を供給するとともに、前記エアブロータンクに大気に開放する流路を設けることにある。

この請求項１の構成によれば、エアブロータンクから冷媒タンク内に乾燥空気を供給し、冷媒タンク内を水分含有量が露点温度−４０°C以下の乾燥空気で満たす。この乾燥空気は水分含有量がきわめて少ないので、冷媒タンク内には冷媒の吸収する水分がほとんど存在しないことになる。したがって、室温状態にある冷媒を熱交換器で例えば０°Ｃ以下の低温に冷却しても、冷媒は水分をほとんど吸収していないから熱交換器で析出して氷になる水の量はごくわずかであり、流量調整弁等の機器に氷が付着して作動が不良になるというようなことはない。また、冷媒タンク内の空気は常に弱い正圧に保たれているため、冷媒タンクに外部から湿った空気が侵入することがない。さらに、冷却システムの運転中、冷媒タンクの液面が下がったとき、冷媒タンクは空気を吸い込むようになるが、エアブロータンク内は弱い正圧に保たれているので、冷媒タンクの液面が下がったときにも、エアブロータンク内の正圧の乾燥空気が冷媒タンク内に供給され、冷媒タンクが外部から湿った空気を吸い込むことがない。逆に、冷媒タンクの液面が上昇したときには、冷媒タンク内の圧力が上昇するが、その上昇した圧力はエアブロータンクに形成した大気に開放する流路を通して外部に逃がすことができる。また、冷媒タンクの液面が上昇したとき、液の逆流が起きる場合もあるが、この場合も、逆流した液はエアブロータンクに形成した大気に開放する流路を通して外部に逃がすことができる。したがって、冷媒タンク内の空気を常に乾燥空気で満たし、しかも、冷媒タンクの液面の上昇、下降に伴う冷媒タンク内の気体圧力の変動を吸収することができるので、冷却システムをより安定して運転することができる。

本発明によれば、冷媒タンクに貯留された水分を吸収しやすい冷媒を冷凍機に備えた熱交換器に供給して冷却し、該冷却した低温冷媒を流量調整弁等の機器を介して冷媒タンクに戻すようにした冷却システムにおいて、冷媒タンク内にある空気の水分含有量を露点温度−４０°C以下まで下げる乾燥空気を供給するエアブロータンクを冷媒タンクに接続したので、冷媒タンク内の空気には冷媒が吸収する水分がほとんど存在しないから、室温の冷媒を熱交換器によって０°C以下の低温にした場合でも、この冷媒から水が析出し氷になるようなことがほとんどない。したがって、氷詰まりによる流量調整弁等の機器の異常を防止することができる。また、エアブロータンクの構成も複雑でないので、メンテナンスも容易である。

以下、本発明の冷却システムの第１の実施の形態を図１，２に基づいて説明する。図１は、エアブロータンクを備えた冷却システムのフロー図であり、図２は、エアブロータンクの概略図である。なお、図１中において、図３と同一の符号を付した部材は、特段の説明がない限り図３に示した部材と同一構成であり、同一構成については、前述した図３の説明を援用し、その詳細な説明は省略する。また、流量調整弁等の機器としての流量調整弁６は、前述した図４のとおりであるので、その詳細な説明は省略する。

図１において、Ｃはチラーユニットであり、チラーユニットＣの筺体１内には、熱交換器３を備えた冷凍機２と、冷却液としてガルデン、フロリナート等の表面張力の小さいフッ素系の冷媒Ｒを貯留する密閉あるいはほぼ密閉された断熱性の低温タンク４と、低温タンク４に取り付けられて、冷媒を循環させる循環ポンプ５と、低温タンク４に取り付けられて、熱交換器３で冷却された低温冷媒の流量を制御する流量調整弁６と、低温タンク４内の冷媒の温度を検出する温度センサー７と、冷媒を低温タンク４に補給する密閉あるいはほぼ密閉された常温タンク８と、常温タンク８の冷媒を低温タンク４に補給ホース９ａを通して送る補給ポンプ９とを備えている。また、この低温タンク４や常温タンク８には、これらタンク４，８に乾燥空気を供給するエアブロータンクＴが接続されている。１０は低温タンク４の上部に設けた大気開放チューブ，１１は常温タンク８の上部に設けた大気開放チューブであり、１２はオーバフロー管である。

循環ポンプ５の吸入口(図示せず)は、低温タンク４内に開口し、その吐出口５ａは、冷媒循環ホース１３（往き管）によって熱交換器入口３ａに接続されるとともに、冷媒循環ホース１３から分岐した冷却液供給ホース１５（往き管）によって後述するプローバＰに接続されている。流量調整弁６は、駆動部６ｂと、冷媒流路６ｅを開閉する弁体６ｇとを備えた前述した図４に示すとおりのものである。流量調整弁６の冷媒入口６ｃは、継手１４ａを介して、熱交換器出口３ｂに接続された冷媒循環ホース１４（戻り管）に接続され、流量調整弁６の冷媒出口６ｄは、低温タンク４内に開口している。

プローバＰは、Ｘ―Ｙ―Zテーブル（図示せず）と、このテーブルに取り付けられ、テストするウエハーを把持するチャック１７と、チャック１７の温度を検出する温度センサー１８と、チャック１７を加熱するヒータ１９と、冷却液によってチャック１７を冷却する冷却部２０とを備えている。冷却部２０は、その冷却液入口（図示せず）がチャック接続ホース２１（往き管）に接続され、その冷却液出口（図示せず）がチャック接続ホース２２（戻り菅）に接続されている。さらに、チャック接続ホース２１は、循環ポンプ５の吐出口４ａに接続する冷却液供給ホース１５（往き管）に継手２３を介して接続され、チャック接続ホース２２は、低温タンク４に連通する冷却液供給ホース１６（戻り菅）に継手２３を介して接続されている。チャック接続ホース２１，２２は、プローバＰのテーブルの移動に追随できるようにテフロン（登録商標）樹脂等の可撓性の材料から形成されている。

低温タンク４や常温タンク８に乾燥空気を供給するエアブロータンクＴは、図２に示すように、密閉あるいはほぼ密閉された円筒状のタンク本体３０として構成されており、タンク本体３０は、天板３０ａと、底板３０ｂと、周壁３０ｃとを有している。また、エアブロータンクＴ内は、後述するように、弱い正圧に維持されているので、周壁３０ｃは、天板３０ａや底板３０ｂより薄肉に形成することができる。このように構成されたタンク本体３０は、図示しないが、チラーユニットＣ内に取り付けるのが好ましい。

このエアブロータンクＴには、低温タンク４や常温タンク８にエアブロータンクＴ内の乾燥空気を供給するための一対のエア供給ホース３１，３２と、エアブロータンクＴの内部空間を大気に開放するドレンホース３３が取り付けられている。一対のエア供給ホース３１，３２は、図２に示すように、周壁３０ｃの一側に上下に取り付け、ドレンホース３３は、周壁３０ｃの他側、すなわちエア供給ホース３１，３２の反対側の下方に、エア供給ホース３２と同じ高さに取り付けるとよい。なお、３５は底板３０ｂに設けた取り付けボルト用のネジ穴である。

上方のエア供給ホース３１は、接続ホース３６を介して低温タンク４に設けた大気開放チューブ１０に接続され、下方のエア供給ホース３２は、接続ホース３７を介して常温タンク８に設けた大気開放チューブ１１に接続されている。また、ドレンホース３３は、接続ホース３８を介して、低温タンク４や常温タンク８の下方に配置された大気に開放する水受け３９に接続されている。

さらに、エアブロータンクＴには、エアブロータンクＴの内部空間に連通する減圧手段としてのスピードコントローラ３４が接続されている。このスピードコントローラ３４は、乾燥空気発生手段、例えば、チラーユニットＣに既設のエアドライヤ（図示せず）からの乾燥空気を、弱い正圧までに減圧して、エアブロータンクＴ内に供給するものであり、図２に示すように天板３０ａに直接取り付けるのが好ましい。エアブロータンクＴに供給される乾燥空気は、低温タンク４や常温タンク８内の空気の水分含有率を露点温度−４０°Ｃ以下まで下げるようなものである。なお、エアブロータンクＴ内は、常に弱い正圧に保たれているので、ドレンホース３３から外部の湿った空気が侵入することはない。

このように構成された冷却システムでは、チャック１７の設定温度が例えば約４０°Ｃ以上の場合は、ヒータ１９のみによって、チャック１７の温度制御が行われ、それ未満の場合は、ヒータ１９と冷却部２０とによってチャック１７の温度制御が行われる。ヒータ１９のみによって温度制御を行う場合には、プローバPに設けた温度センサー１８でチャック１７の温度を検出し、チャック１７の温度が設定温度になるようにヒータ１９を制御する。

ヒータ１９と冷却部２０とでチャック１７の温度制御を行う場合には、冷凍機２と循環ポンプ５を運転する。循環ポンプ５によって吸引された低温タンク４内の冷媒Ｒは、冷媒循環ホース１３を介して冷凍機２に設けた熱交換器３に供給されると同時に、冷却液供給ホース１５及びチャック接続ホース２１を介してプローバＰに設けたチャック１７の冷却部２０に供給される。熱交換器３に供給された冷媒は、熱交換器３で冷却された後、冷媒循環ホース１４、流量調整弁６を通って低温タンク４内に戻される。他方、チャック１７の冷却部２０に冷却液として供給された冷媒は、チャック１７を冷却した後、チャック接続ホース２２及び冷却液供給ホース１６を介して低温タンク４内に戻される。

この時、流量調整弁６は、前述したように、例えば５秒おきに出される開指令に基づいて開閉されるようにされており、この開指令によって、駆動部６ｂは、復帰スプリング６ｉの付勢に抗して弁体６ｇが弁座６ｆから離れて所定時間冷媒流路６ｅを開くように弁体６ｇを駆動し、所定時間が経過すると、弁体６ｇは、復帰スプリング６ｉの付勢力によって復帰して冷媒流路６ｅを閉じるようになる。流量調整弁６は、図４に示す正常状態では、このような開閉を繰り返し、低温タンク４内の冷媒Ｒの温度がチャック１７の設定温度に対応した温度になるように、熱交換器３で冷却された冷媒を低温タンク４に供給する。弁体６ｇが開かれている時間、すなわち、開を維持する時間は、チャック１７の設定温度に対応しており、チャックの設定温度が高いほどその時間は短くなる。低温タンク４内の冷媒Ｒの温度は、温度センサー７によって監視されている。

ところで、この実施の形態によれば、低温タンク４や常温タンク８に乾燥空気を供給するエアブロータンクＴには、乾燥空気発生手段からスピードコントローラ３４を介し水分含有率が露点温度−４０°Ｃ以下の乾燥空気が供給されており、このエアブロータンクＴ内の乾燥空気は、エア供給ホース３１、接続ホース３６、大気開放チューブ１０を通って低温タンク４内に供給され、また、エア供給ホース３２、接続ホース３７、大気開放チューブ１１を通って常温タンク８に供給されているので、低温タンク４や常温タンク８内は水分含有率が露点温度−４０°Ｃ以下の乾燥空気で満たされることになる。この乾燥空気はほとんど水分を含んでいないから、低温タンク４や常温タンク８内が室温状態であっても、低温タンク４や常温タンク８内の冷媒が水分を吸収する余地はなく、冷媒はからからに乾いた状態にある。

このようなエアブロータンクＴを備えた冷却システムでは、例えば、図１に示すようにプローバＰの設定温度Ｔ０を３０°Ｃに設定し、低温タンク４内の冷媒の温度Ｔ１を約２３°Ｃの室温状態に維持するように冷却システムを運転した場合でも、低温タンク４や常温タンク８内の冷媒はからからに乾いた状態にあるので、この冷媒を熱交換器３で−７５°Ｃまで冷却しても水が析出して氷が発生することはほとんどない。したがって、熱交換器３で−７５°Ｃまで冷却された冷媒が流量調整弁６を流れても、冷媒よって運ばれる氷が存在しないので、氷による流量調整弁６の異常が生じることはない。

また、低温タンク４や常温タンク８内の乾燥空気は常に弱い正圧に保たれているため、低温タンク４や常温タンク８に外部から湿った空気が侵入することがない。さらに、冷却システムの運転中、低温タンク４や常温タンク８の液面４ａ，８ａが上昇したり、下降したりして低温タンク４や常温タンク８内の圧力が変動することがある。液面が下降したとき、低温タンク４や常温タンク８は空気を吸い込むようになるが、エアブロータンクT内は弱い正圧に保たれているので、前記低温タンク４や常温タンク８の液面４ａ，８ａが下がったときにも、ブロータンクT内の正圧の乾燥空気が低温タンク４や常温タンク８内に供給され、低温タンク４や常温タンク８が外部から湿った空気を吸い込むことはない。

逆に、低温タンク４や常温タンク８の液面４ａ，８ａが上昇したとき、または、気化した冷媒が戻ってしまった場合、低温タンク４や常温タンク８の気体の圧力が上昇するが、エアブロータンクTは、ドレンホース３３によって常に大気に開放されており、低温タンク４内の上昇した圧力は、大気開放チューブ１０、接続ホース３６、エア供給ホース３１、タンク本体３０、ドレンホース３３、接続ホース３８を介して外部に逃がし、他方、常温タンク８内の上昇した圧力は、大気開放チューブ１１、接続ホース３７、エア供給ホース３２、タンク本体３０、ドレンホース３３、接続ホース３８を介して外部に逃がすことができる。したがって、エアブロータンクＴのエア供給ホース３１，３２が接低温タンク４や常温タンク８の大気開放チューブ１０，１１に直接接続されていても、低温タンク４や常温タンク８内の空気の圧力が異常に上昇することがない。また、低温タンク４や常温タンク８の液面が上昇した時、低温タンク４や常温タンク８内の液が逆流することもあるが、この場合も、逆流した液は、同様に、ドレンホース３３、接続ホース３８を介して外部に逃がし、水受け３９に送ることができる。

このように、この実施の形態の冷却システムによれば、低温タンク４や常温タンク８内が常に水分含有率が露点温度−４０°Ｃ以下の乾燥空気で満たされており、冷媒が吸収する水分がほとんど存在しないから、室温の冷媒を熱交換器で０°Ｃ以下に冷却しても、水が析出して氷になることがない。したがって、流量調整弁６に氷が運ばれることがないので、氷による流量調整弁６の異常を防止でき、プローバＰの設定温度を常に安定して制御することができる。また、エアブロータンクＴ内は、弱い正圧とされ、しかもエアブロータンクＴには、大気に開放するドレンホース３３が設けられているので、低温タンク４や常温タンク８の液面４ａ，８ａの上昇、下降に伴う低温タンク４や常温タンク８内の気体の圧力の変動を吸収することができ、冷却システムをより安定して運転することができる。また、エアブロータンクＴの構成は複雑でないので、メンテナンスも容易である。さらに、乾燥空気発生手段としてチラーユニットＣに既設のエアドライヤを使用すれば、別途、乾燥空気を発生させる装置を設ける必要がないので、部品点数の増加を抑えることができる。

なお、このエアブロータンクＴは、低温タンク４のみに接続するようにしてもよい。さらに、この実施の形態では、エアブロータンクＴのエア供給ホース３１、３２をそれぞれ大気開放チューブ１０、１１に接続したが、大気開放チューブ１０，１１とは別に独立して低温タンク４や常温タンク８に接続するようにしてもよい。この場合、エアブロータンクＴには、ドレンホース３３を設けないようにすることもできる。また、エアブロータンクＴは、円筒状に限らず、種々の形状、大きさとすることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されず種々の設計変更が可能であり、それらはいずれも本発明に含まれる。例えば、本発明の冷却システムは、プローバに使用されるものに限らず、室温にある冷媒を熱交換器で０°Ｃ以下に冷却する必要があるものであればどのような用途のものであってもよい。また、流量調整弁を設けた冷却システムに限らず、熱交換器で発生する氷によって異常を引き起こす機器を設けたものに広く適用できる。

本発明の実施の形態に係る冷却システムのフロー図。本発明の実施の形態に係るエアブロータンクの概略図。従来の冷却システムのフロー図。流量調整弁の正常状態を示す概略図。従来の冷却システムにおいて、流量調整弁の異常状態を示す概略図。

符号の説明

Ｃチラーユニット
Ｐプローバ
Ｔエアブロータンク
１チラーユニットの筺体
２圧縮機
３熱交換器
４低温タンク
５循環ポンプ
６流量調整弁
７温度センサー
８常温タンク
１０，１１大気開放チューブ
１３，１４冷媒循環ホース
１５、１６冷却液供給ホース
１７チャック
１８温度センサー
１９ヒータ
２０冷却部
２１，２２チャック接続ホース
３０エアブロータンクの本体
３１，３２エア供給ホース
３３ドレンホース
３４スピードコントローラ
３６，３７，３８接続ホース

Claims

冷媒タンクに貯留された表面張力の小さいフッ素系の冷媒を冷凍機の熱交換器で冷却し、該冷却した冷媒を流量調整弁等の機器を介して前記冷媒タンクに戻すようにした冷却システムにおいて、前記冷媒タンク内に水分含有量が露点温度−４０°C以下の乾燥空気を供給するエアブロータンクを前記冷媒タンクに接続し、前記エアブロータンクには減圧手段によって弱い正圧に減圧した前記乾燥空気を供給するとともに、前記エアブロータンクには大気に開放する流路を設けたことを特徴とする冷却システム。