JP2751588B2 - 液冷式冷却装置 - Google Patents
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- F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
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- F25D17/00—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces
- F25D17/02—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces for circulating liquids, e.g. brine
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
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- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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- F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
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Description
本発明は、例えば半導体デバイスの製造装置の発熱部
に付設され、該発熱部を冷水のような冷却液を用いて冷
却するための液冷式冷却装置に関するものである。
に付設され、該発熱部を冷水のような冷却液を用いて冷
却するための液冷式冷却装置に関するものである。
例えば半導体デバイスの製造装置においては、半導体
集積回路の集積度の向上に伴ない振動、温度、さらには
運転コスト等についての対策が重要な問題となる。例え
ば超微細パターンの集積回路をウェハ上に形成する工程
においては、通常では問題とはならないような微振動で
も重大な影響を与える。特に超微細半導体デバイスの製
造に必要なステッパ、EB露光装置のような超精密装置に
おいては、極めて多くの振動発生源を有し、その伝播の
仕方も多種多様である他、発熱量の大きな発熱部を有す
るが、これらによる微振動や温度変動により、例えば位
置合わせ用ステージの微動、熱膨張、光路の屈折率変化
等、位置合わせ精度に与える影響が極めて大である。加
えて、前記発熱部には、その放熱を図る必要があるの
で、冷却装置が不可欠なものとなっている。 かかる冷却装置としては、例えば第７図に示すような
ものが知られている。これによると、発熱部HBの外周部
に連続した１本の細い金属管から成る冷却管RKを巻回
し、該冷却管RKの一端の流入部LNから冷却液としての冷
水を流入し、前記冷却管RKの他端の流出部LOから冷却後
の冷水を流出させるようにした構成となっている。ここ
で、前記発熱部HBは直径が300［mm］長さが300［mm］の
円柱状を呈し、冷却管RKは15回巻回されているとする。
したがって、この冷却装置の送水抵抗は800［mmAq/m］
×14.1［ｍ］＝11280［mmAq］≒1.1［kg/cm2］となる。 この場合、冷却液の流入部の温度をT1、流出部の温度
をT2とすると、両温度T1、T2は、その算術平均が冷却装
置の配設空間の雰囲気温度T0に等しくなるように設定さ
れているのが一般的である。なお、従来の冷却水供給系
統では、冷却水の温度制御を精度良く行なおうとする試
みはほとんどなされてなく、冷却水の送水量は最大負荷
時に合わせた一定なものとなっている。
集積回路の集積度の向上に伴ない振動、温度、さらには
運転コスト等についての対策が重要な問題となる。例え
ば超微細パターンの集積回路をウェハ上に形成する工程
においては、通常では問題とはならないような微振動で
も重大な影響を与える。特に超微細半導体デバイスの製
造に必要なステッパ、EB露光装置のような超精密装置に
おいては、極めて多くの振動発生源を有し、その伝播の
仕方も多種多様である他、発熱量の大きな発熱部を有す
るが、これらによる微振動や温度変動により、例えば位
置合わせ用ステージの微動、熱膨張、光路の屈折率変化
等、位置合わせ精度に与える影響が極めて大である。加
えて、前記発熱部には、その放熱を図る必要があるの
で、冷却装置が不可欠なものとなっている。 かかる冷却装置としては、例えば第７図に示すような
ものが知られている。これによると、発熱部HBの外周部
に連続した１本の細い金属管から成る冷却管RKを巻回
し、該冷却管RKの一端の流入部LNから冷却液としての冷
水を流入し、前記冷却管RKの他端の流出部LOから冷却後
の冷水を流出させるようにした構成となっている。ここ
で、前記発熱部HBは直径が300［mm］長さが300［mm］の
円柱状を呈し、冷却管RKは15回巻回されているとする。
したがって、この冷却装置の送水抵抗は800［mmAq/m］
×14.1［ｍ］＝11280［mmAq］≒1.1［kg/cm2］となる。 この場合、冷却液の流入部の温度をT1、流出部の温度
をT2とすると、両温度T1、T2は、その算術平均が冷却装
置の配設空間の雰囲気温度T0に等しくなるように設定さ
れているのが一般的である。なお、従来の冷却水供給系
統では、冷却水の温度制御を精度良く行なおうとする試
みはほとんどなされてなく、冷却水の送水量は最大負荷
時に合わせた一定なものとなっている。
しかしながら、かかる従来技術の構成では、冷却水供
給系統全体の送水抵抗が、例えば４［kg/cm2］以上と高
くなり、特に、冷却構造の中核をなす冷却管RKが連続し
た１本の細い金属管から成るので、冷却管RK中の送水抵
抗も例えば１［kg/cm2］以上と高くなって、微振動発生
を抑制し難いこと、さらに、送水抵抗が高く送水動力が
大となりひいては冷却装置を含む装置全体の運転コスト
が嵩むこと、該冷却管RKの流入部LNと流出部LOとの間の
広い範囲にわたる温度勾配、換言すれば被冷却部に熱負
荷分布が生じ、周囲への温度変動を招来させること等の
問題がある。 例えばEB露光装置の発熱部への冷却水供給開始前後に
おいて、従来の冷却装置を用いた場合の振動発生につき
測定（時間経過に対するGal値等の測定）すると、特に
冷却水の供給開始後に、いずれの方向（装置の設置面内
で互いに直交する二つの方向、及び該設置面の上下方
向）でも有害となる大きな振動が発生するという結果が
得られている。 これは、従来の冷却水供給系統のうち特に冷却装置の
送水抵抗が高圧（約１［kg/cm2］）で圧力損失が大きい
ので、その分多くのエネルギーが他のエネルギー、つま
り振動エネルギーや熱エネルギーに変換される結果、大
きな振動発生源となるためである。 また、従来の冷却装置では被冷却部である発熱部が、
その発熱状態によって温度分布を変化させるので、装置
周辺の雰囲気温度を変動させる原因となる。 本発明は、上記従来技術の課題を解決すべくなされた
ものであり、振動発生の抑制、送水動力の低減、さらに
は発熱部周辺の温度変動阻止等を実現することができる
液冷式冷却装置を提供することを目的とする。
給系統全体の送水抵抗が、例えば４［kg/cm2］以上と高
くなり、特に、冷却構造の中核をなす冷却管RKが連続し
た１本の細い金属管から成るので、冷却管RK中の送水抵
抗も例えば１［kg/cm2］以上と高くなって、微振動発生
を抑制し難いこと、さらに、送水抵抗が高く送水動力が
大となりひいては冷却装置を含む装置全体の運転コスト
が嵩むこと、該冷却管RKの流入部LNと流出部LOとの間の
広い範囲にわたる温度勾配、換言すれば被冷却部に熱負
荷分布が生じ、周囲への温度変動を招来させること等の
問題がある。 例えばEB露光装置の発熱部への冷却水供給開始前後に
おいて、従来の冷却装置を用いた場合の振動発生につき
測定（時間経過に対するGal値等の測定）すると、特に
冷却水の供給開始後に、いずれの方向（装置の設置面内
で互いに直交する二つの方向、及び該設置面の上下方
向）でも有害となる大きな振動が発生するという結果が
得られている。 これは、従来の冷却水供給系統のうち特に冷却装置の
送水抵抗が高圧（約１［kg/cm2］）で圧力損失が大きい
ので、その分多くのエネルギーが他のエネルギー、つま
り振動エネルギーや熱エネルギーに変換される結果、大
きな振動発生源となるためである。 また、従来の冷却装置では被冷却部である発熱部が、
その発熱状態によって温度分布を変化させるので、装置
周辺の雰囲気温度を変動させる原因となる。 本発明は、上記従来技術の課題を解決すべくなされた
ものであり、振動発生の抑制、送水動力の低減、さらに
は発熱部周辺の温度変動阻止等を実現することができる
液冷式冷却装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、冷却液
の流送構造を改変し、冷却液の流入部および流出部の温
度条件、冷却液の温度と発熱部周囲の雰囲気温度との関
係等を改変するべく、発熱部の外周部を包囲するように
覆い、一端部に冷却液の流入部が形成され、他端部に前
記冷却液の流出部が形成され、前記流入部と流出部とは
連通されているジャケット部と、前記ジャケット部の略
全外周部を覆う断熱部材と、前記流入部に流入する前記
冷却液の温度を前記発熱部の配設空間の雰囲気温度に比
べて低く設定すると共に、前記流出部から流出する冷却
液の温度を前記雰囲気温度に略一致させるための温度制
御手段とを備えたことを特徴とする。 請求項２の発明は、ジャケット部の温度分布の一様化
をさらに徹底するべく、前記ジャケット部は、前記流入
部から流入する冷却液を前記発熱部の外周部に沿い前記
流出部に向かって、かつ、略一様に案内するための分流
手段を有することを特徴とする。 請求項３の発明は、断熱材の省略を図るべく、発熱部
の外周部を包囲するように覆い、互いに連通する内側部
及び外側部から成り、前記内側部の端部に冷却液の流入
部が形成され、前記外側部の端部に冷却液の流出部が形
成されると共に、前記内側部と外側部とを流れる冷却液
の流れ方向が異なる二重ジャケット部と、前記流入部に
流入する前記冷却液の温度を前記発熱部の配設空間の雰
囲気温度に比べて低く設定すると共に、前記流出部から
流出する冷却液の温度を前記雰囲気温度に略一致させる
ための温度制御手段とを備えたことを特徴とする。 請求項４の発明は、ジャケット部の温度分布をさらに
一様にすべて、前記二重ジャケット部は、前記流入部か
ら流入する冷却液を前記発熱部の外周部に沿い前記流出
部に向かって、かつ、略一様に案内するための分流手段
を前記内側部に有することを特徴とする。
の流送構造を改変し、冷却液の流入部および流出部の温
度条件、冷却液の温度と発熱部周囲の雰囲気温度との関
係等を改変するべく、発熱部の外周部を包囲するように
覆い、一端部に冷却液の流入部が形成され、他端部に前
記冷却液の流出部が形成され、前記流入部と流出部とは
連通されているジャケット部と、前記ジャケット部の略
全外周部を覆う断熱部材と、前記流入部に流入する前記
冷却液の温度を前記発熱部の配設空間の雰囲気温度に比
べて低く設定すると共に、前記流出部から流出する冷却
液の温度を前記雰囲気温度に略一致させるための温度制
御手段とを備えたことを特徴とする。 請求項２の発明は、ジャケット部の温度分布の一様化
をさらに徹底するべく、前記ジャケット部は、前記流入
部から流入する冷却液を前記発熱部の外周部に沿い前記
流出部に向かって、かつ、略一様に案内するための分流
手段を有することを特徴とする。 請求項３の発明は、断熱材の省略を図るべく、発熱部
の外周部を包囲するように覆い、互いに連通する内側部
及び外側部から成り、前記内側部の端部に冷却液の流入
部が形成され、前記外側部の端部に冷却液の流出部が形
成されると共に、前記内側部と外側部とを流れる冷却液
の流れ方向が異なる二重ジャケット部と、前記流入部に
流入する前記冷却液の温度を前記発熱部の配設空間の雰
囲気温度に比べて低く設定すると共に、前記流出部から
流出する冷却液の温度を前記雰囲気温度に略一致させる
ための温度制御手段とを備えたことを特徴とする。 請求項４の発明は、ジャケット部の温度分布をさらに
一様にすべて、前記二重ジャケット部は、前記流入部か
ら流入する冷却液を前記発熱部の外周部に沿い前記流出
部に向かって、かつ、略一様に案内するための分流手段
を前記内側部に有することを特徴とする。
請求項１の構成では、発熱部は、ジャケット部により
外周部が覆われているので、冷却液の流動面積が大とな
り、また、温度制御手段により冷却液の流入部と流出部
との温度差が大となって冷却液の流量が小となり、冷却
液の通流抵抗が低減する。また、ジャケット部が断熱部
材により覆われていることから、発熱部と外部との間の
熱流の出入が低減され、ジャケット部周辺の温度変動が
阻止される。 請求項２の構成では、請求項１の構成において、ジャ
ケット部には分流手段が設けられているので、ジャケッ
ト部の温度分布が均等になり、ジャケット部周辺の温度
変動阻止をさらに有効に行なえる。 請求項３の構成では、ジャケット部が発熱部の外周部
に二重に形成されているので、外側のジャケット部が内
側のジャケット部に対して断熱効果が働き発熱部と外部
との熱流の出入低減が図られる。 請求項４の構成では、請求項３の構成においてジャケ
ット部には分流手段が設けられているので、ジャケット
部の温度分布の均等化をさらに有効に実現できる。
外周部が覆われているので、冷却液の流動面積が大とな
り、また、温度制御手段により冷却液の流入部と流出部
との温度差が大となって冷却液の流量が小となり、冷却
液の通流抵抗が低減する。また、ジャケット部が断熱部
材により覆われていることから、発熱部と外部との間の
熱流の出入が低減され、ジャケット部周辺の温度変動が
阻止される。 請求項２の構成では、請求項１の構成において、ジャ
ケット部には分流手段が設けられているので、ジャケッ
ト部の温度分布が均等になり、ジャケット部周辺の温度
変動阻止をさらに有効に行なえる。 請求項３の構成では、ジャケット部が発熱部の外周部
に二重に形成されているので、外側のジャケット部が内
側のジャケット部に対して断熱効果が働き発熱部と外部
との熱流の出入低減が図られる。 請求項４の構成では、請求項３の構成においてジャケ
ット部には分流手段が設けられているので、ジャケット
部の温度分布の均等化をさらに有効に実現できる。
以下本発明の一実施例を図面を参照しながら説明す
る。なお、本実施例では冷却液として水を用いるように
しているが、他の液体を用いても同様な効果を生じさせ
得るものである。 第３図は本発明に係る液冷式冷却装置が適用される冷
却水供給系統の一例を示すものであり、この冷却水供給
系統は、冷水を蓄えた１個の冷水槽１を有し、主ポンプ
２で汲み上げた冷水を各分岐冷却系m1、m2、……mMに供
給し得るようになっている。各分岐冷却系m1、m2、……
mMに供給された冷水は、熱交換器３、および送水ポンプ
４を介しさらに各装置H1、H2、……Hnの被冷却部毎にそ
れぞれ供給される。ここで、この冷却水供給系統の配管
系は、各被冷却部においてそれぞれ冷水の通路長さが一
定となるようにいわゆるリバースリターン方式を採用し
ている。 また、各装置（半導体デバイス製造の各装置）H1、H2
……Hnの発熱部近傍の送水配管にはそれぞれ流量制御弁
5A1、5A2……5Anを設け、各装置H1、H2……Hnの電力使
用量に応じて該発熱部に送水される水量を調整し、冷却
水の水温が常時一定になるように制御するようにしてい
る。さらに、送水する側の配管と還水する側の配管との
間には発熱部への送水定期時に開弁させるバイパス弁5B
1、5B2……5Bnが設けられ、冷水の供給元側（前記熱交
換器３の上流側）も流量制御弁5C、バイパス弁5Dを設
け、同様の手法により制御するようにしている。 第１図は、本発明の第１実施例を示すものであり、い
わば単層のジャケット構造としたものである。すなわ
ち、例えば円筒状（例えば、直径30［cm］、長さ30［c
m］）の発熱部６の略全側面外周部に沿い略一周するよ
うにジャケット部７が形成され、このジャケット部７の
内部は冷却液を分流すべく、第２図（ａ），（ｂ）に示
すように、冷却液の流路方向を長手方向とする多数の通
水セル7a、7b…に区分されている。そして、該各セル7
a、7b…における冷却水の流路方向の端部には小孔7a1、
7b2…（第２図（ａ）は還水ヘッダー９側の端部を示
す）が形成されている。さらに、該ジャケット部７の一
端部には冷却水の流入部（冷却水供給ヘッダー８）が設
けられ、その他端部には前記冷却水の流出部（還水ヘッ
ダー９）が設けられ、前記供給ヘッダー８の略中央部に
は流入管10が連結され、前記還水ヘッダー９の略中央部
には流出管11が連結されている。また、前記ジャケット
部７の略全外周部は断熱部材12にて覆われ、該断熱部材
12は例えばポリウレタンフォームのような発塵性の少な
い発泡樹脂材料から成り略一定厚みに形成されている。
13Aは流量制御弁であり、13Bはバイパス弁であり、両弁
13A、13Bは前記弁5A1…、5B1…に対応するもので、前記
流入部８や流出部９等の冷水の温度制御を行なうべく中
央制御的に開閉制御される。なお、前記冷却水供給ヘッ
ダー８および還水ヘッダー９と前記通水セル7a,7b…と
の間にはそれぞれ所定の送水抵抗が設定され、前記小孔
7a1、7b2…の作用とも相埃っていずれの通水セル7a,7b
…にも均一に冷却水が流れる。 全送水抵抗ROは直管抵抗RKと各種障害物（曲がり、分
岐、弁等）による局部抵抗RLの和で表され、直管抵抗RK
と局部抵抗RLはそれぞれ次式のようになる。 RK＝λ×（l/d）×（ν2/2g）×γ［mAq］ ここで、 d:管内径 ［ｍ］ l:管長 ［ｍ］ ν：流速 ［m/s］ γ：比重量 ［kg/m3］ λ：管摩擦係数 g:重力の加速度 RL＝ζ×（ν2/2g）×γ［mAq］ ここで、 ζ：局部抵抗係数 したがって、送水抵抗は、管内径に反比例し、流速の
２乗に比例するので、送水抵抗を低減させるためには、
冷却水の流動断面積を大きくしかつ流速を遅くすれば良
いことが分かる。 次に、第４図は、第１図に示す冷却装置の表面温度T3
と冷却装置周辺の雰囲気温度T0との温度差（△Ｔ）と、
断熱部材12の厚さｘとの関係を示すグラフであり、冷却
水の供給ベッダー側の水温T1と前記雰囲気温度T0との温
度差（Δｔ）をパラメータとして計算した結果を示した
ものである。同図において縦軸は前記温度差△Ｔ
［℃］）を、横軸は前記厚さ（ｘ［cm］）を示してい
る。また、パラメータはΔt1（５［℃］）の場合とΔt2
（10［℃］）の場合について示されている。 なお、△Ｔとｘとの関係式は次のように導き出され
る。 ジャケット部７を覆う断熱部材12の表面温度をT
3［℃］、該断熱部材12の熱伝導係数をλ［Kcal/m・ｈ
・deg］、熱伝達係数をα［Kcal/m2・ｈ・deg］，そし
て、前記水温をT1［℃］、前記雰囲気温度をT0［℃］と
すると、 △Ｔ×α＝（T0−T3）×α ＝｛（T3−T1）×λ｝/x×10-2 ＝102｛（T3−T0）×λ＋（T0−T1）×λ｝/x ＝102｛−△Ｔ＋Δｔ）×λ｝/x ここで、 λ＝0.03［Kcal/m・ｈ・deg］、 α＝10［Kcal/m2・ｈ・deg］とすると、 △Ｔ＝３×Δt/（10x＋３） なる関係式が得られる。 この結果、前記温度差（△Ｔ）を例えば少くとも0.33
℃に保つには、断熱部材12の厚さｘは、前記温度差（Δ
ｔ）がΔt2の場合、87.9［mm］以上、Δt1の場合42.5
［mm］以上にする必要がある。 上記のように本実施例は構成されているので、発熱部
６を冷却すべく冷却水供給ヘッダー８に流入し、冷却後
の冷却水は還水ヘッダー９から流出するが、冷却水はジ
ャケット部７内で該発熱部６の外表面に沿うように拡散
するので、通水抵抗が低減し、送水動力が低減される。
また、ジャケット部７の外周部には、断熱部材12が設け
られているので、該断熱部材12の表面と周辺雰囲気との
温度差を小さく設定することができ、冷却装置のが周辺
部に対して大きな温度変動を与えることはない。 次に、本第１実施例の構成による各種の作用を項目毎
に分説すると下記の如くなる。 ＜振動発生の抑制＞ 送水抵抗については例えば次のように設定される。 まず、冷却装置の分としては、各通水セル部の送水抵
抗を２［mmAq］、それぞれ200［mmAq］の送水抵抗をも
つ両ヘッダー８、９の送水抵抗を400［mmAq］とし、合
計402［mmAq］（0.04［kg/cm2］）の送水抵抗が設定さ
れる。すなわち、従来の構成に比べて略1/25に低減す
る。 次に、配管系の分としては、直管抵抗（15［mmAg/
m］）を有するものが30［ｍ］の長さ配管されていると
して450［mmAq］、バルブ（15［mmAg/m］のもので相当
長さ６［ｍ］）が２個で180［mmAq］、エルボ（15［mmA
g/m］のもので相当長さ2.5［ｍ］）が６個で225［mmA
q］、熱交換器が2000［mmAq］で、これらの合計2405［m
mAq］の送水抵抗が設定される。その結果、冷却系全体
（冷却装置の分と配管系の分との和）の送水抵抗は3257
［mmAq］≒0.33［kg/cm2］となり、従来のものに比べて
略1/12に低減する。 ＜運転コストの低減＞ 本実施例ではジャケット部７を設けているので、冷却
水の流動断面積が大きくなり、さらに、流入部８と流出
部９との冷却水の水温の差を大きくとることにより、冷
却水の供給水量が減り、これにより送水抵抗が大きく低
減される。 冷却水供給用のポンプの動力は次の式で示される。 軸動力＝γ×Ｑ×H/（6120×η）［KW］ Q:水量 ［/min］ H:揚程 ［mAq］ γ：水の比重［Kg/［（定温：γ＝１） η：ポンプ効率 電動機容量＝β×軸動力［KW］ … β：余裕率 なお、βは、電動機容量が18.5［KW］以下のものにあ
っては1.15、22［KW］以上のものにあっては1.00であ
る。 前記式から、ポンプの送水動力は、水量および送水
圧力にほぼ比例することが理解できる。 従って、冷却水の供給水量の低減と供給水圧の低下に
より、冷却装置の冷却水供給の運転コストの大幅な低減
が実現される。例えば、供給水量を1/2、供給水圧を1/5
とすることにより冷却水運転コストを1/10まで低減でき
る。 ＜温度変動の阻止＞ 本実施例ではジャケット部７の外周部に断熱部材12が
設けられているので、該断熱部材12の表面と周辺雰囲気
との温度差は例えば１℃未満に設定することができ、本
実施例に係る冷却装置が周辺への温度変化の熱負荷源と
なることはない。 次に、第５図は本発明の第２実施例を示すものであ
り、いわば２重ジャケット構造としたものである。 本第２実施例の場合、発熱部14の外周部に設けられる
二重ジャケット部15は、内側部15Aと外側部15Bから成
り、内側部15Aの端部には冷却水供給ヘッダー16が形成
され、外側部15Bの端部には還水ヘッダー17が形成され
ており、内側部15Aと外側部15Bとの境界部18の表面には
断熱用樹脂コーティング層18Aが形成されている。な
お、両部16、17は冷却水供給ヘッダー16の近傍で連通さ
れている。さらに、第６図（ａ）（ｂ）に示すように、
上記第１実施例と同様、内側部15Aおよび外側部15Bのそ
れぞれの通水部は多数のセル15Aa、15Ab、…;15Ba、15B
b…に区分されている。また、各セルにおける冷却水の
流入側および流出側の各端部には小孔Ba1、Ba2…;Aa1、
Ab1…が形成されている。流入管19、流出管20、流量制
御弁21A、バイパス弁21B等他の構成は第１実施例と同様
である。 ここで、本第２実施例における全送水抵抗については
例えば次のように設定される。 冷却装置の分としては、二重ジャケット部15における
冷却水の流速が0.2［m/s］、その流路長が約２［ｍ］と
して（２［mmAg/m］）送水抵抗を４［mmAq］、それぞれ
200［mmAq］の送水抵抗をもつ両ヘッダー８、９の送水
抵抗を400［mmAq］とし、合計404［mmAq］の送水抵抗が
設定される。 配管系の分としては、直管抵抗（15［mmAg/m］）を有
するものが30［ｍ］の長さ配管されているとして450［m
mAq］、バルブ（15［mmAg/m］のもので相当長さ６
［ｍ］）が２個で180［mmAq］、エルボ（15［mmAg/m］
のもので相当長さ2.5［ｍ］）が６個で225［mmAq］、熱
交換器が2000［mmAq］で、これらの合計2405［mmAq］の
送水抵抗が設定される。その結果、冷却系全体（冷却装
置の分と配管系の分との和）の送水抵抗は、3259［mmA
q］≒0.33［kg/cm2］と極めて低いものとなる。 次に、本第２実施例により温度変動が阻止されること
を示す計算例につき説明する。 発熱部14の発熱量Hhを Hh＝10［KW］＝8600［Kcal/h］、 直径Dhが300［mm］φ、長さLhが300［mm］である発熱
部14の表面積Ahを Ah＝0.28［m2］、 供給ヘッダー16における冷却水の温度T1を T1＝13［℃］、 還水ヘッダー17における冷却水の温度T2を T2＝23［℃］、 発熱部の雰囲気温度T0を T0＝23［℃］、 とすると、冷却水（比熱CH（［Kcal/・℃］の流量Ｑ
は Ｑ＝Hh/CH（T2−T1） ＝8600/10＝860［/h］ ＝14.3［/min］ なお、二重ジャケット部15内の冷却水による熱負荷は
発熱部14によるそれに比べて無視できるので、計算の考
慮に入れない。 一方、二重ジャケット部15内での冷却水の流速V0を0.
2［m/s］とし、前記流量Ｑ、および長さLhを用いると、 二重ジャケット部15（内側部15A）での冷却水の厚みD
uは Du＝Q/60V0×Lh ＝14.3/60×0.2×0.3 ＝４［mm］ 二重ジャケット部15の内側部15Aの冷却水温度と外側
部15Bとの平均温度差Δ０は Δ０＝（23−13）/2＝５［℃］ 二重ジャケット部15の内側部15Aと外側部15Bとの間の
熱伝導率λを0.2［Kcal/m・ｈ・℃］、断熱用樹脂コー
ティングの厚みtcを１［mm］とすると、 熱移動量QPは QP＝−Δ０・λ・Ah/tc ＝−５×0.2×0.28/0.001 ＝−280［Kcal/h］ 冷却水の温度変化量ΔTMは ΔTM＝QP/Q ＝280/860＝−0.33［℃］ 本第２実施例の場合、ジャケット部が二重に形成され
ていることにより、第１実施例のように断熱部材12を設
ける必要がなくても、二重ジャケット部15の冷却器表面
の温度と雰囲気温度との差（△Ｔ）を非常に小さくでき
る。すなわち、冷却装置による温度変動が阻止される。 振動抑制や運転コスト低減の各作用については第１実
施例と同様である。
る。なお、本実施例では冷却液として水を用いるように
しているが、他の液体を用いても同様な効果を生じさせ
得るものである。 第３図は本発明に係る液冷式冷却装置が適用される冷
却水供給系統の一例を示すものであり、この冷却水供給
系統は、冷水を蓄えた１個の冷水槽１を有し、主ポンプ
２で汲み上げた冷水を各分岐冷却系m1、m2、……mMに供
給し得るようになっている。各分岐冷却系m1、m2、……
mMに供給された冷水は、熱交換器３、および送水ポンプ
４を介しさらに各装置H1、H2、……Hnの被冷却部毎にそ
れぞれ供給される。ここで、この冷却水供給系統の配管
系は、各被冷却部においてそれぞれ冷水の通路長さが一
定となるようにいわゆるリバースリターン方式を採用し
ている。 また、各装置（半導体デバイス製造の各装置）H1、H2
……Hnの発熱部近傍の送水配管にはそれぞれ流量制御弁
5A1、5A2……5Anを設け、各装置H1、H2……Hnの電力使
用量に応じて該発熱部に送水される水量を調整し、冷却
水の水温が常時一定になるように制御するようにしてい
る。さらに、送水する側の配管と還水する側の配管との
間には発熱部への送水定期時に開弁させるバイパス弁5B
1、5B2……5Bnが設けられ、冷水の供給元側（前記熱交
換器３の上流側）も流量制御弁5C、バイパス弁5Dを設
け、同様の手法により制御するようにしている。 第１図は、本発明の第１実施例を示すものであり、い
わば単層のジャケット構造としたものである。すなわ
ち、例えば円筒状（例えば、直径30［cm］、長さ30［c
m］）の発熱部６の略全側面外周部に沿い略一周するよ
うにジャケット部７が形成され、このジャケット部７の
内部は冷却液を分流すべく、第２図（ａ），（ｂ）に示
すように、冷却液の流路方向を長手方向とする多数の通
水セル7a、7b…に区分されている。そして、該各セル7
a、7b…における冷却水の流路方向の端部には小孔7a1、
7b2…（第２図（ａ）は還水ヘッダー９側の端部を示
す）が形成されている。さらに、該ジャケット部７の一
端部には冷却水の流入部（冷却水供給ヘッダー８）が設
けられ、その他端部には前記冷却水の流出部（還水ヘッ
ダー９）が設けられ、前記供給ヘッダー８の略中央部に
は流入管10が連結され、前記還水ヘッダー９の略中央部
には流出管11が連結されている。また、前記ジャケット
部７の略全外周部は断熱部材12にて覆われ、該断熱部材
12は例えばポリウレタンフォームのような発塵性の少な
い発泡樹脂材料から成り略一定厚みに形成されている。
13Aは流量制御弁であり、13Bはバイパス弁であり、両弁
13A、13Bは前記弁5A1…、5B1…に対応するもので、前記
流入部８や流出部９等の冷水の温度制御を行なうべく中
央制御的に開閉制御される。なお、前記冷却水供給ヘッ
ダー８および還水ヘッダー９と前記通水セル7a,7b…と
の間にはそれぞれ所定の送水抵抗が設定され、前記小孔
7a1、7b2…の作用とも相埃っていずれの通水セル7a,7b
…にも均一に冷却水が流れる。 全送水抵抗ROは直管抵抗RKと各種障害物（曲がり、分
岐、弁等）による局部抵抗RLの和で表され、直管抵抗RK
と局部抵抗RLはそれぞれ次式のようになる。 RK＝λ×（l/d）×（ν2/2g）×γ［mAq］ ここで、 d:管内径 ［ｍ］ l:管長 ［ｍ］ ν：流速 ［m/s］ γ：比重量 ［kg/m3］ λ：管摩擦係数 g:重力の加速度 RL＝ζ×（ν2/2g）×γ［mAq］ ここで、 ζ：局部抵抗係数 したがって、送水抵抗は、管内径に反比例し、流速の
２乗に比例するので、送水抵抗を低減させるためには、
冷却水の流動断面積を大きくしかつ流速を遅くすれば良
いことが分かる。 次に、第４図は、第１図に示す冷却装置の表面温度T3
と冷却装置周辺の雰囲気温度T0との温度差（△Ｔ）と、
断熱部材12の厚さｘとの関係を示すグラフであり、冷却
水の供給ベッダー側の水温T1と前記雰囲気温度T0との温
度差（Δｔ）をパラメータとして計算した結果を示した
ものである。同図において縦軸は前記温度差△Ｔ
［℃］）を、横軸は前記厚さ（ｘ［cm］）を示してい
る。また、パラメータはΔt1（５［℃］）の場合とΔt2
（10［℃］）の場合について示されている。 なお、△Ｔとｘとの関係式は次のように導き出され
る。 ジャケット部７を覆う断熱部材12の表面温度をT
3［℃］、該断熱部材12の熱伝導係数をλ［Kcal/m・ｈ
・deg］、熱伝達係数をα［Kcal/m2・ｈ・deg］，そし
て、前記水温をT1［℃］、前記雰囲気温度をT0［℃］と
すると、 △Ｔ×α＝（T0−T3）×α ＝｛（T3−T1）×λ｝/x×10-2 ＝102｛（T3−T0）×λ＋（T0−T1）×λ｝/x ＝102｛−△Ｔ＋Δｔ）×λ｝/x ここで、 λ＝0.03［Kcal/m・ｈ・deg］、 α＝10［Kcal/m2・ｈ・deg］とすると、 △Ｔ＝３×Δt/（10x＋３） なる関係式が得られる。 この結果、前記温度差（△Ｔ）を例えば少くとも0.33
℃に保つには、断熱部材12の厚さｘは、前記温度差（Δ
ｔ）がΔt2の場合、87.9［mm］以上、Δt1の場合42.5
［mm］以上にする必要がある。 上記のように本実施例は構成されているので、発熱部
６を冷却すべく冷却水供給ヘッダー８に流入し、冷却後
の冷却水は還水ヘッダー９から流出するが、冷却水はジ
ャケット部７内で該発熱部６の外表面に沿うように拡散
するので、通水抵抗が低減し、送水動力が低減される。
また、ジャケット部７の外周部には、断熱部材12が設け
られているので、該断熱部材12の表面と周辺雰囲気との
温度差を小さく設定することができ、冷却装置のが周辺
部に対して大きな温度変動を与えることはない。 次に、本第１実施例の構成による各種の作用を項目毎
に分説すると下記の如くなる。 ＜振動発生の抑制＞ 送水抵抗については例えば次のように設定される。 まず、冷却装置の分としては、各通水セル部の送水抵
抗を２［mmAq］、それぞれ200［mmAq］の送水抵抗をも
つ両ヘッダー８、９の送水抵抗を400［mmAq］とし、合
計402［mmAq］（0.04［kg/cm2］）の送水抵抗が設定さ
れる。すなわち、従来の構成に比べて略1/25に低減す
る。 次に、配管系の分としては、直管抵抗（15［mmAg/
m］）を有するものが30［ｍ］の長さ配管されていると
して450［mmAq］、バルブ（15［mmAg/m］のもので相当
長さ６［ｍ］）が２個で180［mmAq］、エルボ（15［mmA
g/m］のもので相当長さ2.5［ｍ］）が６個で225［mmA
q］、熱交換器が2000［mmAq］で、これらの合計2405［m
mAq］の送水抵抗が設定される。その結果、冷却系全体
（冷却装置の分と配管系の分との和）の送水抵抗は3257
［mmAq］≒0.33［kg/cm2］となり、従来のものに比べて
略1/12に低減する。 ＜運転コストの低減＞ 本実施例ではジャケット部７を設けているので、冷却
水の流動断面積が大きくなり、さらに、流入部８と流出
部９との冷却水の水温の差を大きくとることにより、冷
却水の供給水量が減り、これにより送水抵抗が大きく低
減される。 冷却水供給用のポンプの動力は次の式で示される。 軸動力＝γ×Ｑ×H/（6120×η）［KW］ Q:水量 ［/min］ H:揚程 ［mAq］ γ：水の比重［Kg/［（定温：γ＝１） η：ポンプ効率 電動機容量＝β×軸動力［KW］ … β：余裕率 なお、βは、電動機容量が18.5［KW］以下のものにあ
っては1.15、22［KW］以上のものにあっては1.00であ
る。 前記式から、ポンプの送水動力は、水量および送水
圧力にほぼ比例することが理解できる。 従って、冷却水の供給水量の低減と供給水圧の低下に
より、冷却装置の冷却水供給の運転コストの大幅な低減
が実現される。例えば、供給水量を1/2、供給水圧を1/5
とすることにより冷却水運転コストを1/10まで低減でき
る。 ＜温度変動の阻止＞ 本実施例ではジャケット部７の外周部に断熱部材12が
設けられているので、該断熱部材12の表面と周辺雰囲気
との温度差は例えば１℃未満に設定することができ、本
実施例に係る冷却装置が周辺への温度変化の熱負荷源と
なることはない。 次に、第５図は本発明の第２実施例を示すものであ
り、いわば２重ジャケット構造としたものである。 本第２実施例の場合、発熱部14の外周部に設けられる
二重ジャケット部15は、内側部15Aと外側部15Bから成
り、内側部15Aの端部には冷却水供給ヘッダー16が形成
され、外側部15Bの端部には還水ヘッダー17が形成され
ており、内側部15Aと外側部15Bとの境界部18の表面には
断熱用樹脂コーティング層18Aが形成されている。な
お、両部16、17は冷却水供給ヘッダー16の近傍で連通さ
れている。さらに、第６図（ａ）（ｂ）に示すように、
上記第１実施例と同様、内側部15Aおよび外側部15Bのそ
れぞれの通水部は多数のセル15Aa、15Ab、…;15Ba、15B
b…に区分されている。また、各セルにおける冷却水の
流入側および流出側の各端部には小孔Ba1、Ba2…;Aa1、
Ab1…が形成されている。流入管19、流出管20、流量制
御弁21A、バイパス弁21B等他の構成は第１実施例と同様
である。 ここで、本第２実施例における全送水抵抗については
例えば次のように設定される。 冷却装置の分としては、二重ジャケット部15における
冷却水の流速が0.2［m/s］、その流路長が約２［ｍ］と
して（２［mmAg/m］）送水抵抗を４［mmAq］、それぞれ
200［mmAq］の送水抵抗をもつ両ヘッダー８、９の送水
抵抗を400［mmAq］とし、合計404［mmAq］の送水抵抗が
設定される。 配管系の分としては、直管抵抗（15［mmAg/m］）を有
するものが30［ｍ］の長さ配管されているとして450［m
mAq］、バルブ（15［mmAg/m］のもので相当長さ６
［ｍ］）が２個で180［mmAq］、エルボ（15［mmAg/m］
のもので相当長さ2.5［ｍ］）が６個で225［mmAq］、熱
交換器が2000［mmAq］で、これらの合計2405［mmAq］の
送水抵抗が設定される。その結果、冷却系全体（冷却装
置の分と配管系の分との和）の送水抵抗は、3259［mmA
q］≒0.33［kg/cm2］と極めて低いものとなる。 次に、本第２実施例により温度変動が阻止されること
を示す計算例につき説明する。 発熱部14の発熱量Hhを Hh＝10［KW］＝8600［Kcal/h］、 直径Dhが300［mm］φ、長さLhが300［mm］である発熱
部14の表面積Ahを Ah＝0.28［m2］、 供給ヘッダー16における冷却水の温度T1を T1＝13［℃］、 還水ヘッダー17における冷却水の温度T2を T2＝23［℃］、 発熱部の雰囲気温度T0を T0＝23［℃］、 とすると、冷却水（比熱CH（［Kcal/・℃］の流量Ｑ
は Ｑ＝Hh/CH（T2−T1） ＝8600/10＝860［/h］ ＝14.3［/min］ なお、二重ジャケット部15内の冷却水による熱負荷は
発熱部14によるそれに比べて無視できるので、計算の考
慮に入れない。 一方、二重ジャケット部15内での冷却水の流速V0を0.
2［m/s］とし、前記流量Ｑ、および長さLhを用いると、 二重ジャケット部15（内側部15A）での冷却水の厚みD
uは Du＝Q/60V0×Lh ＝14.3/60×0.2×0.3 ＝４［mm］ 二重ジャケット部15の内側部15Aの冷却水温度と外側
部15Bとの平均温度差Δ０は Δ０＝（23−13）/2＝５［℃］ 二重ジャケット部15の内側部15Aと外側部15Bとの間の
熱伝導率λを0.2［Kcal/m・ｈ・℃］、断熱用樹脂コー
ティングの厚みtcを１［mm］とすると、 熱移動量QPは QP＝−Δ０・λ・Ah/tc ＝−５×0.2×0.28/0.001 ＝−280［Kcal/h］ 冷却水の温度変化量ΔTMは ΔTM＝QP/Q ＝280/860＝−0.33［℃］ 本第２実施例の場合、ジャケット部が二重に形成され
ていることにより、第１実施例のように断熱部材12を設
ける必要がなくても、二重ジャケット部15の冷却器表面
の温度と雰囲気温度との差（△Ｔ）を非常に小さくでき
る。すなわち、冷却装置による温度変動が阻止される。 振動抑制や運転コスト低減の各作用については第１実
施例と同様である。
以上のように請求項１の発明によれば、発熱部の外周
部を包囲するように覆い、一端部に冷却液の流入部が形
成され、他端部に前記冷却液の流出部が形成され、前記
流入部と流出部とは連通されているジャケット部と、前
記ジャケット部の略全外周部を覆う断熱部材と、前記流
入部に流入する前記冷却液の温度を前記発熱部の配設空
間の雰囲気温度に比べて低く設定すると共に、前記流出
部から流出する冷却液の温度を前記雰囲気温度に略一致
させるための温度制御手段とを備えたことを特徴とする
ので、冷却水のような冷却液の通流抵抗を大幅に低減で
き、振動発生防止に大きく貢献する共に、冷却液の送流
側と還流側の温度差を大きくすることにより冷却液の供
給流量も減らせることから、前記通流抵抗と供給流量の
低減が可能となり、その結果冷却液の送流動力の大幅な
低減、ひいては運転コストの低減を図ることができる。
また、冷却装置の表面の温度と冷却装置周辺の雰囲気温
度との差を例えば１℃未満という極めて小さな値に制御
することができ、冷却装置による雰囲気温度変動を防止
できる。 請求項２の発明によれば、請求項１においてジャケッ
ト部が、前記流入部から流入する冷却液を前記発熱部の
外周部に沿って前記流出部の側に向け、かつ、略一様に
案内するための分流手段を有する構成としたので、請求
項１の効果に加え、雰囲気温度の変動をさらに有効に阻
止できる。 請求項３の発明によれば、発熱部の外周部を包囲する
ように覆い、互いに連通する内側部及び外側部から成
り、前記内側部の端部に冷却液の流入部が形成され、前
記外側部の端部に冷却液の流出部が形成されると共に、
前記内側部と外側部とを流れる冷却液の流れ方向が異な
る二重ジャケット部と、前記流入部に流入する前記冷却
液の温度を前記発熱部の配設空間の雰囲気温度に比べて
低く設定すると共に、前記流出部から流出する冷却液の
温度を前記雰囲気温度に略一致させるための温度制御手
段とを備える構成としたので、振動発生の防止や運転コ
ストの低減に貢献できる他、断熱処理を施さなくても冷
却装置による雰囲気温度変動を有効に防止できる。 請求項４の発明によれば、前記二重ジャケット部が、
前記流入部から流入する冷却液を前記発熱部の外周部に
沿って前記流出部の側に向け、かつ、略一様に案内する
ための分流手段を前記内側部に有するので、請求項３の
効果に加え、被冷却部の雰囲気温度の変動をさらに有効
に阻止できる。
部を包囲するように覆い、一端部に冷却液の流入部が形
成され、他端部に前記冷却液の流出部が形成され、前記
流入部と流出部とは連通されているジャケット部と、前
記ジャケット部の略全外周部を覆う断熱部材と、前記流
入部に流入する前記冷却液の温度を前記発熱部の配設空
間の雰囲気温度に比べて低く設定すると共に、前記流出
部から流出する冷却液の温度を前記雰囲気温度に略一致
させるための温度制御手段とを備えたことを特徴とする
ので、冷却水のような冷却液の通流抵抗を大幅に低減で
き、振動発生防止に大きく貢献する共に、冷却液の送流
側と還流側の温度差を大きくすることにより冷却液の供
給流量も減らせることから、前記通流抵抗と供給流量の
低減が可能となり、その結果冷却液の送流動力の大幅な
低減、ひいては運転コストの低減を図ることができる。
また、冷却装置の表面の温度と冷却装置周辺の雰囲気温
度との差を例えば１℃未満という極めて小さな値に制御
することができ、冷却装置による雰囲気温度変動を防止
できる。 請求項２の発明によれば、請求項１においてジャケッ
ト部が、前記流入部から流入する冷却液を前記発熱部の
外周部に沿って前記流出部の側に向け、かつ、略一様に
案内するための分流手段を有する構成としたので、請求
項１の効果に加え、雰囲気温度の変動をさらに有効に阻
止できる。 請求項３の発明によれば、発熱部の外周部を包囲する
ように覆い、互いに連通する内側部及び外側部から成
り、前記内側部の端部に冷却液の流入部が形成され、前
記外側部の端部に冷却液の流出部が形成されると共に、
前記内側部と外側部とを流れる冷却液の流れ方向が異な
る二重ジャケット部と、前記流入部に流入する前記冷却
液の温度を前記発熱部の配設空間の雰囲気温度に比べて
低く設定すると共に、前記流出部から流出する冷却液の
温度を前記雰囲気温度に略一致させるための温度制御手
段とを備える構成としたので、振動発生の防止や運転コ
ストの低減に貢献できる他、断熱処理を施さなくても冷
却装置による雰囲気温度変動を有効に防止できる。 請求項４の発明によれば、前記二重ジャケット部が、
前記流入部から流入する冷却液を前記発熱部の外周部に
沿って前記流出部の側に向け、かつ、略一様に案内する
ための分流手段を前記内側部に有するので、請求項３の
効果に加え、被冷却部の雰囲気温度の変動をさらに有効
に阻止できる。
第１図は本発明の第１実施例を示す斜視図、第２図
（ａ）（ｂ）はそれぞれ第１図のII−II線、II′−II′
線に沿う断面図、第３図は本発明に係る冷却装置が適用
される冷却系統の一例を示すブロック図、第４図は絶縁
部材の厚みの変化に対する表面温度と雰囲気温度との差
分との関係を示すグラフ、第５図は本発明の第２実施例
を示す斜視図、第６図（ａ）（ｂ）はそれぞれ第５図の
VII−VII線、VII′−VII′線に沿う断面図、第７図は従
来の液冷式冷却装置の構成を示す側面図である。 ６、16……発熱部、７……ジャケット部、８、16……流
入部、９、17……流出部、12……断熱部材、15……二重
ジャケット部、15A……内側部、15B……外側部。
（ａ）（ｂ）はそれぞれ第１図のII−II線、II′−II′
線に沿う断面図、第３図は本発明に係る冷却装置が適用
される冷却系統の一例を示すブロック図、第４図は絶縁
部材の厚みの変化に対する表面温度と雰囲気温度との差
分との関係を示すグラフ、第５図は本発明の第２実施例
を示す斜視図、第６図（ａ）（ｂ）はそれぞれ第５図の
VII−VII線、VII′−VII′線に沿う断面図、第７図は従
来の液冷式冷却装置の構成を示す側面図である。 ６、16……発熱部、７……ジャケット部、８、16……流
入部、９、17……流出部、12……断熱部材、15……二重
ジャケット部、15A……内側部、15B……外側部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 昭62−184384（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−179600（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F25D 1/02,9/00
Claims (4)
- 【請求項１】発熱部の外周部を包囲するように覆い、一
端部に冷却液の流入部が形成され、他端部に前記冷却液
の流出部が形成され、前記流入部と流出部とは連通され
ているジャケット部と、 前記ジャケット部の略全外周部を覆う断熱部材と、 前記流入部に流入する前記冷却液の温度を前記発熱部の
配設空間の雰囲気温度に比べて低く設定すると共に、前
記流出部から流出する冷却液の温度を前記雰囲気温度に
略一致させるための温度制御手段とを備えたことを特徴
とする液冷式冷却装置。 - 【請求項２】前記ジャケット部は、前記流入部から流入
する冷却液を前記発熱部の外周部に沿い前記流出部に向
かって、かつ、略一様に案内するための分流手段を有す
ることを特徴とする請求項１記載の液冷式冷却装置。 - 【請求項３】発熱部の外周部を包囲するように覆い、互
いに連通する内側部及び外側部から成り、前記内側部の
端部に冷却液の流入部が形成され、前記外側部の端部に
冷却液の流出部が形成されると共に、前記内側部と外側
部とを流れる冷却液の流れ方向が異なる二重ジャケット
部と、 前記流入部に流入する前記冷却液の温度を前記発熱部の
配設空間の雰囲気温度に比べて低く設定すると共に、前
記流出部から流出する冷却液の温度を前記雰囲気温度に
略一致させるための温度制御手段とを備えたことを特徴
とする液冷式冷却装置。 - 【請求項４】前記二重ジャケット部は、前記流入部から
流入する冷却液を前記発熱部の外周部に沿い前記流出部
に向かって、かつ、略一様に案内するための分流手段を
前記内側部に有することを特徴とする請求項３記載の液
冷式冷却装置。
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