冷却ユニット
【課題】本発明は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し、氷フィルタ装置の氷詰まりを早期に検知しこれに対応することによりプローバの設定温度を希望する温度に適正に制御することを課題とする。
【解決手段】被温度制御対象を保持するため冷媒流路に接続されたチャックＰと、冷凍機２２で冷却された冷媒２４の流量調整を行う流量調整弁２８と、冷凍機２２で発生する氷を冷媒２４から除去する氷フィルタ装置５０と、チャックＰのチャック温度を検出する温度センサー３０ａとを有する冷却システムであって、判定開始時間の経過後に、判定開示時間の経過後における流量調整弁２８の正常な弁開度である基準弁開度値に基づく判定値と、現在の冷却システムの状態から演算される流量調整弁２８への流量調整弁指令値とを比較し、流量調整弁指令値が前記判定値よりも大きいと判断したとき、氷詰まり防止装置５０に対する再生処理を開始する。
【解決手段】被温度制御対象を保持するため冷媒流路に接続されたチャックＰと、冷凍機２２で冷却された冷媒２４の流量調整を行う流量調整弁２８と、冷凍機２２で発生する氷を冷媒２４から除去する氷フィルタ装置５０と、チャックＰのチャック温度を検出する温度センサー３０ａとを有する冷却システムであって、判定開始時間の経過後に、判定開示時間の経過後における流量調整弁２８の正常な弁開度である基準弁開度値に基づく判定値と、現在の冷却システムの状態から演算される流量調整弁２８への流量調整弁指令値とを比較し、流量調整弁指令値が前記判定値よりも大きいと判断したとき、氷詰まり防止装置５０に対する再生処理を開始する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却ユニットに係り、特に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。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造技術の分野では、半導体ウエハー（主にシリコンウエハー）上に半導体素子あるいは半導体回路（以下、半導体素子等という）を製造した後、その半導体素子等が正常に動作するかどうかを調べるための電気的試験が行なわれる。通常、この種の試験は半導体ウエハーをチャックと呼ばれる保持器に保持させ、半導体素子等が後に置かれると想定される使用環境を模擬した状態（動作環境温度）を作り出して行なわれる。このような試験は、以前は、高温領域（室温から１５０℃程度まで）で行なわれることが多かったが、最近では、低温領域（−１０℃〜−５０℃）で行なわれることも多くなってきている。
【０００３】
低温領域での試験を実現するために、チャックには、その内部に冷却液を流通させる冷却液流路が形成されている。この冷却液流路に冷凍機を用いて冷却した冷却液を流すことにより、チャック自体の温度を低下させ、チャックに保持された半導体ウエハーの温度を低下させることができる。
【０００４】
従来、この種のチャックを冷却する冷却システムとしては、例えば特許文献１に開示されたものがある。この冷却システムは、チャックに設けられた冷却液流路に流すための冷媒を蓄えるための低温タンクと、この低温タンク内の冷媒をチャックの冷却液流路へ送り出すためのポンプと、冷媒を冷却するための冷凍機と、チャックに対して流す冷媒の流量の調整を行う流量調整弁等を有した構成とされている。
【０００５】
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、低温タンク内に存在する湿った空気から水分が冷媒に吸収されることがある。この低温タンク内で水分を吸収した室温の冷媒が、冷凍機で０°Ｃ以下の低温に冷却されると、冷媒から水が析出し、この水は冷凍機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流れて流量調整弁に運ばれることがある。
【０００６】
氷を含んだ冷媒が流量調整弁に運ばれると、流量調整弁に氷が入り込み弁座と弁体が凍りつき、流量調整弁が適正に動作することができなくなる。このような異常が発生すると、冷凍機で冷却された約−７０°Ｃ（＝Ｔ４）の氷を含んだ低温冷媒が流量調整されずに低温タンクにそのまま流れ込むため、低温タンク内の冷媒温度が大きく低下して、プローバの設定温度を希望する温度に制御することができなくなる。
【０００７】
また、流量調整弁に氷が詰まった場合には、冷媒が流量調整弁を通過できなくなり、この場合には冷凍機で冷却された冷媒が低温タンクに供給されず、低温タンク内の冷媒温度が大きく上昇し、この場合においてもプローバの設定温度を希望する温度に制御することができなくなる。
【０００８】
そこで、引用文献１に開示された冷却システムでは、冷凍機と流量調整弁とを繋ぐ配管に氷をトラップできる氷フィルタ装置を設けた構成が提案されている。冷凍機と流量調整弁との間に氷フィルタ装置を設けることにより、冷凍機で発生し冷媒に混入した氷は氷フィルタ装置でトラップされて流量調整弁に至ることはなくなる。よって、流量調整弁は冷凍機で発生する氷に影響されることなく動作することが補償される。
【特許文献１】特開２００６−２８３９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、引用文献１に開示された冷凍システムでは、流量調整弁に氷が入り込むことは有効に防止できるが、氷フィルタ装置にトラップされる氷の量が増大し、必要流量を確保することができないレベルにまで達すると、冷却不良が発生するという問題点が生じる。
【００１０】
即ち，冷凍機で冷却された冷媒は流量調整弁に向け送り出されるが、氷フィルタ装置に大量の氷がトラップされた状態では、氷フィルタ装置内の流体抵抗が増大してしまう。よって、氷フィルタ装置を通過する冷媒の流量は低下し、冷却された冷媒が低温タンク内に十分に供給されなくなる。このため、氷フィルタ装置を設けても、やはり低温タンク内の冷媒温度が大きく上昇し、プローバの設定温度を希望する温度に制御することができなくなってしまう。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、氷フィルタ装置の氷詰まりを早期に検知しこれに対応することによりプローバの設定温度を希望する温度に適正に制御することを可能とした冷却ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題は、本発明の第１の観点からは、
冷媒を循環させる冷媒流路に設けられた循環ポンプと、
該冷媒流路に設けられ前記冷媒を冷却させる冷凍機と、
被温度制御対象を保持するため、前記冷媒流路に接続されたチャックと、
該チャックに設けられ、前記冷媒流路を加熱するヒーターと、
前記冷凍機で冷却された前記冷媒の流量調整を行う流量調整弁と、
前記冷凍機と前記流量調整弁との間に配設され、前記冷凍機で発生する氷を前記冷媒から除去することにより氷詰まりの発生を防止する氷詰まり防止装置と、
前記チャックのチャック温度を検出するチャック温度検出手段と、
チャック設定温度を設定する温度設定手段と、
該チャック設定温度の設定時からの経過時間を演算する時間演算手段と、
前記流量制御弁に対する流量調整弁指令値を演算する指令値演算手段と、
前記氷詰まり防止装置が正常時において前記チャック温度が前記チャック設定温度となるのに要する経過時間に基づき設定された判定開始時間を格納すると共に、該判定開示時間の経過後における前記流量調整弁の正常な弁開度を基準弁開度値として格納してなる格納手段と、
前記判定開始時間の経過後に、前記基準弁開度値に基づく判定値と前記流量調整弁指令値とを比較し、該流量調整弁指令値が前記判定値よりも大きいと判断したとき、前記氷詰まり防止装置に対する再生処理を開始する氷詰まり防止制御手段と、
を有することを特徴とする冷却システムにより解決することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱交換器で発生する氷によって氷フィルタ装置に氷詰まりが発生してきた場合、これを早期に検知して対応することができるため、プローバの設定温度を希望する温度に常に適正に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態である冷却システムを示す全体構成図である。本実施形態に係る冷却システムは、大略するとチラーユニット１０，プローバ１１，及び各種制御処理を行う制御装置６０等により構成されている。
【００１６】
チラーユニット１０は、例えば半導体ウエハー（被温度制御対象）の試験に適用されるものであり、半導体ウエハーが搭載されるプローバ１１内のチャック１２を既定温度に保つ機能を奏するものである。
【００１７】
半導体ウエハーが搭載されるチャック１２には、伝熱盤Ｐが配設される。この伝熱盤Ｐは、チラーユニット１０の筺体２１（ハウジング）内に収納された冷凍機２２の熱交換器２３で温度を下げられた冷媒２４（例えば、フッ素系化学液からなる）を伝熱盤Ｐ内に形成された冷却通路２９に流すことにより、また伝熱盤Ｐに取り付けられた伝熱盤ヒーター３０で加熱することにより、例えば−７０°Ｃ〜２００°Ｃの範囲で温度制御される。この伝熱盤ヒーター３０は、伝熱盤Ｐに設置した温度センサー３０ａの検知する温度に基づいて制御され、伝熱盤Ｐが予め定めた設定温度になるように伝熱盤Ｐを加熱する。
【００１８】
伝熱盤Ｐの温度制御を行うチラーユニット１０は、冷媒２４を循環させるための循環ラインＬ１，Ｌ２と、前記の冷凍機２２と、冷媒２４を貯留する低温タンク２５と、冷媒２４を循環させる循環ポンプ２７と、熱交換器２３で冷却される冷却液の流量を調整する流量調整弁２８と、熱交換器２３に設けた冷却液通路（図示せず）と、熱交換器２３で冷媒２４に混入した氷をトラップする氷フィルタ装置５０等を有した構成とされている。
【００１９】
循環ラインＬ１とＬ２の一部或いは全部はステンレス等の金属材料により構成されており、またチラーユニット１０内において冷媒２４と接触する構成要素の一部或いは全部もステンレス等の金属材料により構成されている。尚、本実施形態に係るチラーユニット１０は、冷媒２４としてガルデン液やＨＦＥ７２００（商標）等のフッ素系化学液を用いている。
【００２０】
熱交換器２３は二重管で構成されており、その内管が冷凍機２２側の冷媒の流れる冷媒通路とされ、内管と外管との間に形成される通路が冷媒２４の流れる冷却液通路とされている。冷媒２４は、この熱交換器２３で冷凍機側冷媒と熱交換して冷却されるようになっている。なお、低温タンク２５からの冷媒２４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２２からの冷媒が流れるようにしてもよい。
【００２１】
低温タンク２５はチラーユニット１０の筺体２１内に収納されており、ほぼ密閉された断熱構造とされている。低温タンク２５内の上部空間には、この上部空間を大気に開放する大気開放チューブ２６が設けられており、低温タンク２５の液面が上昇や下降して、低温タンク２５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している。
【００２２】
尚、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化学液からなる冷媒２４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、低温タンク２５内に存在する湿った空気から水分が冷媒に吸収されることがあることは前述した通りである。
【００２３】
循環ポンプ２７の吸入側は、低温タンク２５に接続されている。また循環ポンプ２７の吐出側は、熱交換器２３の入口に冷媒２４を送る循環ラインＬ１に接続されると共に、伝熱盤Ｐの冷却通路２９に冷媒２４を送る循環ラインＬ２に接続されている。この循環ポンプ２７は、後述する制御装置６０により駆動制御が行なわれる。また、循環ポンプ２７にはリリーフ弁６５が設けられており、循環ポンプ２７から一定の圧力で冷媒が供給されるよう構成されている。
【００２４】
流量調整弁２８は、冷凍機２２と低温タンク２５とを接続する冷却液循環配管３２に取り付けられている。この流量調整弁２８は、図２に示すように、ステンレス製のケーシング２８ａの上部に駆動部２８ｂ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２８ａの底部に開口する冷媒入口２８ｃと、冷媒入口２８ｃより上方でケーシング２８ａの側面に開口する冷媒出口２８ｄと、冷媒入口２８ｃと冷媒出口２８ｄを連通する冷媒流路２８ｅと、冷媒流路２８ｅの途中に形成したケーシング２８ａと一体の弁座２８ｆと、弁座２８ｆの下部に配置され、弁座の２８ｆの下方から弁座２８ｆに離接して冷媒流路２８ｅを開閉する樹脂製の弁体２８ｇから構成されている。
【００２５】
弁体２８ｇは、弁棒２８ｈによって駆動部２８ｂに連結されるとともに、その下方から復帰スプリング２８ｉによって弁座２８ｆ側に付勢されている。また、弁体２８ｇは、ケーシング２８ａの底部から突接されたガイド部材２８ｊによって案内されるようになっている。尚、２８ｋはケーシング２８ａに設けた断熱材である。
【００２６】
このように構成された流量調整弁２８は、冷媒入口２８ｃに熱交換器２３及び氷フィルタ装置５０からの配管２３ａが接続され、冷媒出口２８ｄに冷却液循環配管３２が接続される。また、駆動部２８ｂは後述する制御装置６０に接続されており、よって流量調整弁２８は制御装置６０によりその駆動が制御される。
【００２７】
具体的には、流量調整弁２８は制御装置６０において例えば５秒おきに出される開指令に基づいて開閉制御される構成とされており、この制御装置６０から指令される流量調整弁指令値によって駆動部２８ｂは復帰スプリング２８ｉの付勢に抗して弁体２８ｇを弁座２８ｆから所定時間離間（開弁）させる。流量調整弁２８が開弁すると、熱交換器２３で冷却された冷媒２４は流量調整弁２８を通過して低温タンク２５に流入する。
【００２８】
また、上記の所定時間が経過すると、駆動部２８ｂによって弁体２８ｇが駆動されなくなるので、弁体２８ｇは復帰スプリング２８ｉの付勢力によって復帰して冷媒流路２８ｅを閉じるようになる。流量調整弁２８はこの開閉を繰り返すことにより熱交換器２３で冷却された冷媒２４を低温タンク２５に供給する。この制御を行うことにより、低温タンク２５内の冷媒２４の温度は、チャック１２の設定温度に対応した温度に調整される。
【００２９】
制御装置６０は、チャック１２の温度が設定された設定されたチャック設定温度（Ｘ）に対して低いとき、また低温タンク２５内の冷媒２４の温度（以下、低温タンク内温度（θ）という）がチャック設定温度（Ｘ）に対応した設定温度よりも低いとき、弁体２８ｇの開弁時間が長くなるよう流量調整弁指令値を設定する。尚、チャック１２の温度は温度センサー３０ａにより検出され制御装置６０に送信され、低温タンク２５内の温度は温度センサー２８ａにより検出され制御装置６０に送信される。
【００３０】
氷フィルタ装置５０は、熱交換器２３と流量調整弁２８とを接続する配管２３ａに設けられている。この氷フィルタ装置５０は、低温タンク２５内の室温の冷媒２４を熱交換器２３によって０℃以下の低温にしたとき熱交換器２３で発生する氷が流量調整弁２８に入るのを防止するためのものであり、流量調整弁２８への氷詰まり防止機構として機能している。
【００３１】
図３は、氷フィルタ装置５０の断面図である。氷フィルタ装置５０は、一端が開口したケーシング本体５５と、この開口を液密に閉蓋する蓋５６とからなるケーシング５４と、水は通過させるが熱交換器２３で発生した氷はトラップする金網製のフィルタ５７ａとから構成されている。
【００３２】
ケーシング本体５５は、図３において下端が開口端として開放された略円筒状の容器として構成されている。このケーシング本体５５の上壁５５ａには、ケーシング本体５５内に連通する可撓ホース５８が液密に取り付けられている。このホース５８は、熱交換器２３に接続された配管２３ａに接続される。
【００３３】
蓋５６は、ケーシング本体５５の側壁５５ａと同じ厚さの縁部５６ｂを有する容器状に形成されている。蓋５６の底壁５６ａには、継手５９が液密に取り付けられている。この継手５９は、流量調整弁２８の入口側に接続される。蓋５６の縁部５６ｂには、ケーシング本体５５の段部５５ｃに係合する突出部５６ｃがその全周にわたって一体に形成されている。
【００３４】
フィルタ５７ａは、金網から形成されている。このフィルタ５７ａは、ケーシング本体５５の段部５５ｂの外径とほほ等しい円板状に形成されている。このフィルタ５７ａを形成する金網のメッシュサイズは、６０〜１００メッシュとされている。
【００３５】
このメッシュサイズとすることにより、熱交換器２３で冷却された冷媒とともに運ばれてきた氷をトラップするとともに、後述するようにフィルタ５７ａでトラップした氷を溶かして水にしたとき、溶けた水が重力のみでフィルタ５７ａを通過するからである。また、フィルタ５７ａを６０〜１００メッシュの金網から形成すると強度不足となるため、フィルタ５７ａの両側は一対の補強部材５７ｂ，５７ｂによって押さえられている。
【００３６】
このフィルタ体５７は、ケーシング本体５５と蓋５６とで挟持することによってケーシング５４に固定される。またこれにより、ケーシング５４内には冷媒が流れるとともにフィルタ５７ａでトラップされた氷が溜まる上部室５４ａと、氷が除去された後の冷媒が流れる下部室５４ｂとに画成される（上部室５４ａは下部室５４ｂより大きな空間とされている）。
【００３７】
尚、前記のようにチャック１２内には冷却通路２９が配設されているが、この冷却通路２９の冷却液入口側は伝熱盤接続配管３５（往き管）に接続され、冷却液出口側は伝熱盤接続配管３６（戻り菅）に接続されている。伝熱盤接続配管３５は、循環ポンプ２７の吐出口に接続した冷却液供給配管３３に接続されている。また、伝熱盤接続配管３６は、低温タンク２５に連通する冷却液供給配管３４（戻り菅）に接続されている。
【００３８】
制御装置６０は、後述する流量調整弁制御処理及び氷詰まり抑制制御処理等の各種制御処理を実行するものである。この制御装置６０にはチラーユニット１０及びプローバ１１を構成する各種機器及びセンサーが接続されているが、図１には本発明の主要構成となる機器及びセンサーと制御装置６０との接続のみを図示している。また、制御装置６０には入力装置６１及び記憶装置６２が接続されている。入力装置６１は、後述するチャック設定温度（Ｘ）を入力するのに用いられる。また、記憶装置６２は、後述する流量調整弁制御処理及び氷詰まり発生確認処理に必要とされる各種データが格納されている。
【００３９】
このように構成されたチラーユニット１０は、前記のように循環ラインＬ１，Ｌ２の二つの循環ラインを有している。循環ラインＬ１においては、冷媒２４は低温タンク２５→循環ポンプ２７→熱交換器２３（冷凍機２２）→氷フィルタ装置５０→流量調整弁２８→低温タンク２５と循環する。また、循環ラインＬ２では、冷媒２４は低温タンク２５→循環ポンプ２７→冷却液供給配管３３→伝熱盤接続配管３５→伝熱盤Ｐの冷却通路２９→伝熱盤接続配管３６→冷却液供給配管３４→低温タンク２５と循環する。
【００４０】
また、チラーユニット１０には、循環ラインＬ１，Ｌ２とは別に、低温タンク２５内に冷却液を補給するほぼ密閉された常温タンク３８が設けられている。この常温タンク３８は低温タンク２５の下方に設けられており、また常温タンク３８内の上部空間にはタンク上部空間を大気に開放する大気開放チューブ３９が接続されている。常温タンク３８の容積は、低温タンク２５へ冷媒２４を補給できる量を確保しうる容積とされている。
【００４１】
この常温タンク３８には、循環ラインＬ１，Ｌ２の冷媒２４の液量が減少して冷却液が足りなくなったとき、常温タンク３８内の冷媒２４を低温タンク２５に補給する補給ポンプ４０が接続されている。補給ポンプ４０は、低温タンク２５内に設けた液面センサー４１の検知する液量に基づいて自動的に運転されるようになっている。補給ポンプ４０により常温タンク３８から送り出される冷媒２４は、補給用ホース４０ａにより低温タンク２５に送られる。
【００４２】
この液面センサー４１は、制御装置６０に接続されている。そして、液面センサー４１により液面２５ａの高さが所定位置より低くなったと判断されたとき、制御装置６０は低温タンク２５内の冷媒２４の液量が減少したと判断し、補給ポンプ４０を駆動開始する構成とされている。
【００４３】
また、常温タンク３８は、制御装置６０に接続された液面センサー４３が取り付けられている。そして、この液面センサー４３が常温タンク３８の冷媒が一定量以下となったことを検知すると、制御装置６０は接続されたアラーム駆動指令手段(図示せず)を駆動しアラームを発する構成とされている。
【００４４】
また、チラーユニット１０では、冷却通路２９を高温に制御したときに循環ラインＬ１，Ｌ２内で冷媒２４が膨張して、低温タンク２５内の液面２５ａが上昇することがある。このため、低温タンク２５にはオーバーフロー管４２が設けられており、上昇した低温タンク２５内の余分な冷媒２４はオーバーフロー管４２を介して補給タンク３８に移動させる構成とされている。
【００４５】
続いて、上記構成とされたチラーユニット１０の基本動作について説明する。
【００４６】
伝熱盤Ｐを高温（例えば、４０°Ｃ以上）で温度制御するときは、制御装置６０は循環ポンプ２７の運転を停止し、伝熱盤Ｐに取り付けた伝熱盤ヒーター３０を駆動する。伝熱盤ヒーター３０は、温度センサー３０ａが検知する温度に基づいて伝熱盤Ｐの温度が設定温度になるように恒温制御がされる。
【００４７】
一方、伝熱盤Ｐを低温（例えば４０°Ｃより低い温度）で温度制御するときは、制御装置６０は循環ポンプ２７を駆動する。循環ポンプ２７は、低温タンク２５内の冷媒２４を冷凍機２２の熱交換器２３に送ると共に、冷却液供給配管３３及び伝熱盤接続配管３５を通して伝熱盤Ｐの冷却通路２９に送る。
【００４８】
熱交換器２３の冷却液通路に送られた冷媒２４は、熱交換器２３の冷媒通路を流れる冷凍機２２側冷媒と熱交換して温度を下げ、流量調整弁２８を通って低温タンク２５に戻される。この際、低温タンク２５に戻される冷媒２４の流量は、流量調整弁２８により制御される。この流量調整弁２８の制御は制御装置６０により行なわれるが、この制御装置６０による流量調整弁２８の制御については、説明の便宜上、後述するものとする。
【００４９】
このようにして、循環ラインＬ１を流れる冷媒２４は熱交換器２３によって徐々に温度が下げられていく。他方、伝熱盤Ｐの冷却通路２９に送られた冷媒２４は、冷却通路２９を通る間に温度を上げ、伝熱盤接続配管３６、冷却液供給配管３４を通って低温タンク２５に戻される。
【００５０】
ところで、上記のように伝熱盤Ｐを冷媒２４と伝熱盤ヒーター３０によって温度制御するとき、循環ラインＬ１，Ｌ２の冷媒２４がその揮発や収縮などによって減少することがある。このようにして循環ラインＬ１，Ｌ２の冷媒２４が減少すると、低温タンク２５に設けた液面センサー４１からの信号により制御装置６０は冷媒２４の減少を検知する。
【００５１】
これにより、制御装置６０は補給ポンプ４０を駆動し、常温タンク３８内の冷媒２４を低温タンク２５に補給する。また、常温タンク３８から低温タンク２５に冷媒２４が補給され、液面センサー４１が冷媒２４の減少を検知しなくなると、制御装置６０によって補給ポンプ４０の運転が停止される。
【００５２】
一方、冷媒２４の膨張に伴い低温タンク２５の液面２５ａが上昇し、冷媒２４がオーバーフロー管４２の冷却液入口４２ａを超えると、冷媒２４はオーバーフロー管４２に流れ込み、重力によってオーバーフロー管４２内を下降して常温タンク３８へ移動する。
【００５３】
これによって低温タンク２５内の余分な冷媒２４は常温タンク３８に流れるため、低温タンク２５内の液面２５ａがオーバーフロー管４２の冷却液入口４２ａの高さ以上となるようなことはない。これにより、チラーユニット１０に必要な最小限の冷媒２４以外は、常温タンク３８に溜められることになる。
【００５４】
また、常温タンク３８内の冷媒が一定量以下になると、液面センサー４３がそれを検知し、その検知信号が制御装置６０に送信される。制御装置６０はこの検知信号を受信すると、接続されたアラーム駆動指令手段（図示せず）駆動してアームを発する。これにより、冷媒２４の不足により、チラーユニット１０の稼動に不都合が生じることを防止できる。
【００５５】
次に、制御装置６０による流量調整弁２８の制御動作について説明する。
【００５６】
制御装置６０は、低温タンク２５内に設けた温度センサー２８ａの検知温度、及びチャック１２に設けられた温度センサー３０ａの検知温度に基づいて流量調整弁２８を制御し、低温タンク２５内の冷媒２４の温度が伝熱盤Ｐの設定温度に対応した所定の設定温度になるように循環ラインＬ１を流れる冷媒２４の液量を調整する。
【００５７】
図６は、制御装置６０による流量調整弁２８の制御処理を示すフローチャートである。同図に示す流量調整弁制御処理が起動すると、制御装置６０はステップ１０（図ではステップをＳと略称している）において、入力装置６１から入力されたチャック設定温度（Ｘ）を読み込む。また、チャック設定温度（Ｘ）が読み込まれると、制御装置６０はチャック設定温度（Ｘ）に基づき低温タンク２５の低温タンク設定温度（Ｘ'）を演算する。この低温タンク設定温度（Ｘ'）は、Ｘ'＝Ｘ−α（αは定数）で求められる。本実施形態では、この定数αは一例として７℃に設定されている。
【００５８】
即ち、チャック１２は低温タンク２５から供給される冷媒２４により冷却されるが、冷媒２４の温度は低温タンク２５からチャック１２に至る経路（冷却液供給ホース３４，伝熱盤接続ホース３６等）において熱侵入が必然的に発生する。このため、低温タンク２５内の冷媒２４の温度をチャック設定温度（Ｘ）とすると、この熱侵入によりチャック１２に至ったときの冷媒２４の温度は、チャック設定温度（Ｘ）よりも高い温度となり、チャック１２をチャック設定温度（Ｘ）とすることができない。このため、予め低温タンク２５内の冷媒２４の温度を温度は低温タンク２５からチャック１２に至る経路で発生する昇温分だけ低く設定している。定数αは、この低温タンク２５からチャック１２に至る経路で発生する昇温温度に基づき設定されている。
【００５９】
上記のようにステップ１０において、チャック設定温度（Ｘ）が指定されると共に、これに伴い低温タンク設定温度（Ｘ'）が演算されると、制御装置６０は低温タンク２５内の冷媒２４の温度（以下、低温タンク内温度（θ）という）が低温タンク設定温度（Ｘ'）となるよう制御し、又伝熱盤Ｐを低温タンク２５から追った冷媒２４と、伝熱盤Ｐに内蔵したヒーター３０ａにより制御する。また、これと同時に制御装置６０は、ステップ１２において内蔵されているタイマーを起動する。よって、チャック設定温度（Ｘ）の設定後の時間は、このタイマーにより求めることができる。
【００６０】
尚、本実施形態では入力装置６１からチャック設定温度（Ｘ）を入力する構成を示しているが、冷却システムが被温度制御対象の試験を行う試験装置のホストコンピュータに接続されている場合には、このホストコンピュータから直接指定される構成とすることも可能である。
【００６１】
続くステップ１４では、温度センサー２８ａから低温タンク内温度（θ）を検出する。更に、制御装置６０は、前記したステップ１２で起動したタイマーから、チャック設定温度（Ｘ）を設定した後の経過時間（ｔ）を演算する。
【００６２】
続くステップ１８では、ステップ１０で求められた低温タンク設定温度（Ｘ'）、ステップ１４で求められた低温タンク内温度（θ）、ステップ１６で演算された経過時間（ｔ）に基づき、制御装置６０はＰＩＤ制御により流量調整弁指令値（Ｚ）を演算する。このように流量調整弁指令値（Ｚ）が演算されると、続くステップ２０において、制御装置６０はステップ１８で求められた流量調整弁指令値（Ｚ）に基づき流量調整弁２８を駆動する。
【００６３】
続くステップ２２では、ステップ１０による新たなチャック設定温度（Ｘ）の入力があったか否かを判定する。新たなチャック設定温度（Ｘ）の入力があった場合、タイマーのリセットを行う必要がある。このため、ステップ２４で肯定判断（ＹＥＳ）が行なわれた場合、経過時間（ｔ）をリセット（ｔ＝０）とした上で、処理をステップ１０に戻す。
【００６４】
一方、ステップ２２において否定判断がされた場合は、ステップ２６の処理により５秒の経過するのを待って処理をステップ１４に戻す。
【００６５】
図５は、上記した流量調整弁制御を実施したときのチャック現在温度（Ｙ）の変化を示している。同図では、チャック設定温度（Ｘ）が＋２５℃から−４０℃に切替えられた例を示している。例えば、入力装置６１からチャック設定温度（Ｘ）が−４０℃に切替えられたとすると、ステップ１０の処理により、低温タンク設定温度（Ｘ'）は−４７℃に設定される（Ｘ'＝−４０−７＝−４７）。
【００６６】
また、低温タンク２５に対する流量調整弁指令値（Ｚ）は、前記のように低温タンク設定温度（Ｘ'）、低温タンク現在温度（θ）、及び経過時間（ｔ）に基づきＰＩＤ制御により決められる。よって、例えば図５においてチャック設定温度（Ｘ）が切替えられた直後である経過時間（ｔ1）では、流量調整弁指令値（Ｚ）は約１００％（１００％が全開）となっている。ＰＩＤ制御によりこの流量調整弁指令値（Ｚ）の値は低温タンク現在温度（θ）の値等により変化し、例えば経過時間（ｔ1）よりも所定時間経過した後である経過時間（ｔ２）では、流量調整弁指令値（Ｚ）は約８０％とされる。
【００６７】
そして、この流量調整弁２８に対する制御により、低温タンク２５内の冷媒２４の温度も変化し、チャック１２に供給される冷媒２４の温度も低下する。このため、図５に破線で示すように、チャック現在温度（Ｙ）の温度はチャック設定温度（Ｘ）である−４０℃に収束する温度変化となる。図５に示す例では、経過時間（ｔａ）においてチャック１２の温度はチャック設定温度（Ｘ）である−４０℃に安定した状態となる。このように、図６に示流量調整弁制御を実施することにより、チャック１２の温度をチャック設定温度（Ｘ）となるよう制御することができる。尚、同図において実線で示すのはチャック設定温度（Ｘ）である。
【００６８】
ところで、チャック設定温度（Ｘ）が設定されてから、実際にチャック１２のチャック現在温度（Ｙ）がチャック設定温度（Ｘ）となるまでの時間は、正常状態である場合（後述するような氷詰まりが発生していない場合）では常に略一定の時間となる（以下、この時間を基準収束時間ｔａという）。
【００６９】
そこで、記憶装置６２には、設定前後のチャック設定温度（Ｘ）の組み合わせと、この時にチャック現在温度（Ｙ）が設定後のチャック設定温度（Ｘ）となるまでの時間である基準収束時間ｔａとが関連付けられて各種格納されている。具体的には、上記の例では設定前（前回）のチャック設定温度（Ｘ１とする）が（Ｘ１＝＋２５℃）であり、設定後のチャック設定温度（Ｘ２とする）が（Ｘ２＝−４０℃）であり、この時の基準収束時間がｔａである。よって、組み合わせは（Ｘ１＝＋２５℃，Ｘ２＝−４０℃，ｔａ）となるが、この組み合わせも記憶装置６２に格納されている。
【００７０】
この組み合わせは種々考えられるが、実際の流量調整弁制御において用いられると想定される各種組み合わせが記憶装置６２に格納されている。従って、制御装置６０は、前回設定された前回チャック設定温度（Ｘ）と、今回設定された今回チャック設定温度（Ｘ）により、記憶装置６２からこの時の基準収束時間を求めることができる。
【００７１】
ところで、本実施形態に係る冷却ユニットは、流量調整弁２８に熱交換器２３で冷媒２４に混入する氷が詰まるのを防止するため、冷媒２４に混入された氷を流量調整弁２８に至る前にトラップする氷フィルタ装置５０を設けている。しかしながら、この氷フィルタ装置５０自体に氷が詰まった場合には、冷媒２４の流れが氷フィルタ装置５０により阻害され、流量調整弁２８に適正に冷媒２４が供給されず、結果としてチャック１２を適正に冷却することができなくことは前述した通りである。
【００７２】
そこで、制御装置６０は、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生したことを流量調整弁２８の開弁度により検出し、この検出結果に基づき氷フィルタ装置５０に対して氷を除去する再生処理を行う構成とされている。以下、この制御装置６０が実行する氷詰まりに対応する制御処理（氷詰まり制御処理）について説明する。
【００７３】
図７は制御装置６０が実行する氷詰まり発生確認処理を示すフローチャートであるが、同図を用いた具体的な制御処理の説明に先立ち、本実施形態において氷詰まりの発生を検出する原理について説明する。
【００７４】
図５を用いて説明したように、チャック設定温度（Ｘ）が設定されてから、実際にチャック１２のチャック現在温度（Ｙ）がチャック設定温度（Ｘ）となるまでの時間は、氷詰まりが発生していない正常である場合では常に一定の時間（基準収束時間ｔａ）となる。
【００７５】
図４は、チャック現在温度（Ｙ）がチャック設定温度（Ｘ）に達し、定常状態となった状態における定常時流量調整弁指令値とチャック設定温度との関係を示している。同図に示す基準弁開度値は、各種のチャック設定温度（Ｘ）が設定されたとき、当該チャック設定温度（Ｘ）において定常状態となったときにおける流量調整弁２８の流量調整弁指令値（特に、定常時流量調整弁指令値という）を示している。
【００７６】
同図より、上記のようにチャック設定温度（Ｘ）を−４０℃に設定した場合の定常時流量調整弁指令値を求めるには、基準弁開度値を示す線分と−４０℃との交点を求めればよい。よって、チャック設定温度（Ｘ）を−４０℃に設定した場合の定常時流量調整弁指令値は、１８％であることが分る。
【００７７】
以上の事項を纏めると、氷詰まりが発生していない正常状態においては、基準収束時間ｔａが経過した際、制御装置６０から流量調整弁２８に指定されている流量調整弁指令値（Ｚ）は１８％となる。
【００７８】
しかしながら、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生し、流量調整弁２８から冷媒２４が低温タンク２５に供給されない状態となると、低温タンク２５の低温タンク内温度（θ）は上昇してしまう。従って、低温タンク２５からチャック１２に供給される冷媒２４の温度も高くなり、チャック１２のチャック現在温度（Ｙ）も上昇してしまう。
【００７９】
図５に一点鎖線で示す特性は、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生した状態を示している。同図に示すように、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生した場合は、基準収束時間ｔａが経過した後も、チャック現在温度（Ｙ）はチャック設定温度（Ｘ）よりも高い温度を維持した状態となっている。よって、制御装置６０は、このようにチャック現在温度（Ｙ）がチャック設定温度（Ｘ）よりも高い場合は、図６のステップ１８，２０で説明したＰＩＤ制御により、流量調整弁２８に対する流量調整弁指令値（Ｚ）を基準弁開度値である１８％よりも大きな値に設定する。
【００８０】
従って、基準収束時間ｔａの経過後において、流量調整弁指令値（Ｚ）が基準弁開度値（本実施形態の場合は１８％）よりも大きい場合、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生していると判定することができる。本実施形態では、上記の原理に基づき氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生したか否かを判定している。
【００８１】
また検出精度を向上させるため、次に述べる二つの手段を講じている。即ち、上記した原理によれば、流量調整弁指令値（Ｚ）が基準弁開度値よりも大きいか否かを判定するタイミングは、基準収束時間ｔａであればよい。しかしながら本実施形態では、第１の手段として、基準収束時間ｔａよりも所定時間遅い時間であるｔｂ（図５参照）に設定している（以下、この時間を判定時間ｔｂという）。
【００８２】
このように、実際に氷詰まりが発生しているか否かの判定タイミングを基準収束時間ｔａよりも遅い判定時間ｔｂとすることにより、機器誤差等により発生する基準収束時間ｔａのばらつきの影響を排除することができ、氷詰まりの発生検出の精度を高めることができる。尚、基準収束時間ｔａは、前記のように前回のチャック設定温度（Ｘ）と今回のチャック設定温度（Ｘ）とに相関している。このため、判定時間ｔｂも前回のチャック設定温度（Ｘ）と今回のチャック設定温度（Ｘ）とに相関しており、これらは関連付けられて記憶装置６２に記憶されている。
【００８３】
一方、上記した原理によれば、氷詰まりの発生は、現在の流量調整弁２８に対する流量調整弁指令値（Ｚ）と、基準弁開度値（図４参照）との値を比較すればよいこととなる。しかしながら図４に示すように、基準弁開度値には実線で示す平均値に対して一定の誤差分布を有している（図４に、誤差分布を矢印Ａで示す）。この誤差は、チラーユニット１０及びプローバ１１を構成する機器や環境に起因して発生する。そこで本実施形態では、この基準弁開度値の誤差範囲の最大値である値を判定値Ｗとし、これと流量調整弁２８の実際の流量調整弁指令値（Ｚ）とを比較することにより、氷詰まりの発生を検出する構成としている。この判定値Ｗは、今回のチャック設定温度（Ｘ）に関連付けられて記憶装置６２に格納されている。
【００８４】
次に、上記した事項に基づき実施される氷詰まり発生確認制御について、図７を参照して説明する。尚、図７に示す詰まり制御処理は、図６に示した流量調整弁制御が起動することにより、同時に起動するよう構成されている。
【００８５】
この氷詰まり制御処理が起動すると、制御装置６０はステップ３０において、経過時間（ｔ）の読み込み、及び判定開始時間ｔｂの読み込みを行う。ここで読み取られる経過時間（ｔ）は、図６に示すステップ１６で演算されるものである。また判定開始時間ｔｂは前記のように記憶装置６２に記憶されているものであり、前回のチャック設定温度（Ｘ）と今回のチャック設定温度（Ｘ）とを指標として求められる。
【００８６】
ステップ３０において判定開始時間ｔｂ及び経過時間（ｔ）が読み込まれると、続くステップ３２では制御装置６０は経過時間（ｔ）が判定開始時間ｔｂとなったか否かを判定する。経過時間（ｔ）が判定開始時間ｔｂとなっていない場合は、ステップ３４以降の氷フィルタ装置５０の氷詰まり処理を行うことができないため、氷詰まり処理を終了する。
【００８７】
一方、ステップ３２において、経過時間（ｔ）が判定開始時間ｔｂとなったと判断されると、処理はステップ３４に進み、判定値Ｗの読み込みと流量調整弁指令値（Ｚ）の読み込みを行う。
【００８８】
ここで、判定値Ｗは記憶装置６２に格納されたものであり、図６のステップ１０で設定されたチャック設定温度（Ｘ）を指標として求められるものである。本実施形態のようにチャック設定温度（Ｘ）が−４０℃である場合、図４に示すように、判定値Ｗの値は２５％である。また、流量調整弁指令値（Ｚ）は、制御装置６０が現在流量調整弁２８に与えている流量調整弁指令値の値を読み込む（図６のステップ１８，２０参照）。
【００８９】
上記のようにステップ３４で判定値Ｗ及び流量調整弁指令値（Ｚ）が読み込まれると、続くステップ３６において、制御装置６０は流量調整弁指令値（Ｚ）が判定値Ｗを超えているか否か（Ｚ>Ｗ）の比較判断を行う。前記のように、流量調整弁指令値（Ｚ）が判定値Ｗよりも小さい場合は、氷フィルタ装置５０に氷詰まりは発生しておらず、冷媒２４を適正に流量調整弁２８に供給している状態である。このため、ステップ３６で否定判断（ＮＯ）がされた場合は、ステップ３８以下の再生処理を実施することなく、氷詰まり制御処理を終了する。
【００９０】
一方、ステップ３６で流量調整弁指令値（Ｚ）が判定値Ｗを超えていると判断された場合は、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生している状態である。よって、ステップ３６で肯定判断（ＹＥＳ）がされた場合は、ステップ３８以下の再生処理を実施する。
【００９１】
本実施形態では、伝熱盤ヒーター３０及び循環ポンプ２７を熱源として氷フィルタ装置５０内に詰まった氷を溶かす再生方法を採用している。具体的には、制御装置６０は冷凍機２２を停止させると共に伝熱盤ヒーター３０を駆動する。また、循環ポンプ２７を駆動して、循環ラインＬ１，Ｌ２に冷媒２４が循環するように設定する。これにより、冷媒２４は伝熱盤ヒーター３０で加熱され、これにより昇温した冷媒２４は氷フィルタ装置５０に至る。これにより、氷フィルタ装置５０内の氷は溶解されて液状となる。
【００９２】
このチラーユニット１０の再生運転は、氷フィルタ装置５０に発生している氷詰まりの具合に応じて運転時間を切替える必要がある。具体的には、判定開始時間ｔｂの経過時における流量調整弁指令値（Ｚ）の大きさに応じて運転時間を切り替え、流量調整弁指令値（Ｚ）が大きい場合には運転時間を長く設定し、流量調整弁指令値（Ｚ）が小さい場合には運転時間を短く設定する構成としてもよい。また、低温タンク２５内の温度センサー２８ａを利用し、運転時間を自動で設定する構成とすることも可能である。
【００９３】
このステップ３８の再生処理は、流量調整弁指令値（Ｚ）が判定値Ｗより小さくなるまで実施される（ステップ４０）。そして、流量調整弁指令値（Ｚ）が判定値Ｗより小さくなると、換言すると氷フィルタ装置５０の氷が溶融されて冷媒２４が円滑に氷フィルタ装置５０内を通過するようになると、ステップ４２において再生処理は停止され、図７に示す氷詰まり制御処理が終了する。
【００９４】
上記のように本実施形態に係る冷却システムによれば、熱交換器２３で発生する氷が冷媒２４に混入し、これにより氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生しても、流量調整弁２８に供給される流量調整弁指令値（Ｚ）に基づき、これを直ちに検出することができる。よって、氷フィルタ装置５０に対する再生処理を早期に実施することができ、チャック１２による被温度制御対象に対する恒温処理を確実に行うことができる。また、再生処理は自動的に開始され、かつチラーユニット１０を停止させる必要もないため、冷却ユニットの信頼性及び稼動の効率性を高めることができる。
【００９５】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。
【００９６】
また、上記した実施形態では、判定開始時間ｔｂの設定に際し、基準収束時間ｔａよりも遅い時間とすることのみ説明したが、例えばチラーユニット１０がチャック１２の温度制御異常としてエラーを発生させるアラーム機能を有している場合には、このアラーム機能が起動する時間（図５に示すアーム発生時間ｔｃ）よりも判定開始時間ｔｂを短く設定することが望ましい。
【００９７】
これは、このようなアラーム機能が起動した場合、通常チラーユニット１０を停止させる必要があり、そのメンテナンスには多大の時間を要しチラーユニット１０の使用効率が低下する。しかしながら本実施形態では、図７を用いて説明したように、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生しても、これを自動的に解凍することが可能であるため、チラーユニット１０を停止させる必要がなく、チラーユニット１０の効率を高めることができるからである。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である冷却ユニットの全体構成図である。
【図２】図２は、流量調整弁の断面図である。
【図３】図３は、氷フィルタ装置の断面図である。
【図４】図４は、チャック設定温度に達し、定常状態となった状態における定常時流量調整弁指令値とチャック設定温度との関係を示す図である。
【図５】図５は、流量調整弁制御時におけるチャック現在温度の変化の一例を示す図である。
【図６】図６は、流量調整弁の制御処理を示すフローチャートである。
【図７】図７は、氷詰まりの発生確認処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９９】
Ｐ 伝熱盤
Ｌ１，Ｌ２ 循環ライン
１０ チラーユニット
１１ プローバ
１２ チャック
２２ 冷凍機
２３ 熱交換器
２４ 冷媒
２５ 低温タンク
２７ 循環ポンプ
２８ 流量調整弁
２８ａ 温度センサー
２９ 冷却通路
３０ 伝熱盤ヒーター
３０ａ 温度センサー
３１，３２ 冷却液循環配管
３３，３４ 冷却液供給配管
３５，３６ 伝熱盤接続配管
３８ 常温タンク
４０ 補給ポンプ
４１ 液面センサー
４２ オーバーフロー管
４３ 液面センサー
５０ 氷フィルタ装置
６０ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は冷却ユニットに係り、特に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。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造技術の分野では、半導体ウエハー（主にシリコンウエハー）上に半導体素子あるいは半導体回路（以下、半導体素子等という）を製造した後、その半導体素子等が正常に動作するかどうかを調べるための電気的試験が行なわれる。通常、この種の試験は半導体ウエハーをチャックと呼ばれる保持器に保持させ、半導体素子等が後に置かれると想定される使用環境を模擬した状態（動作環境温度）を作り出して行なわれる。このような試験は、以前は、高温領域（室温から１５０℃程度まで）で行なわれることが多かったが、最近では、低温領域（−１０℃〜−５０℃）で行なわれることも多くなってきている。
【０００３】
低温領域での試験を実現するために、チャックには、その内部に冷却液を流通させる冷却液流路が形成されている。この冷却液流路に冷凍機を用いて冷却した冷却液を流すことにより、チャック自体の温度を低下させ、チャックに保持された半導体ウエハーの温度を低下させることができる。
【０００４】
従来、この種のチャックを冷却する冷却システムとしては、例えば特許文献１に開示されたものがある。この冷却システムは、チャックに設けられた冷却液流路に流すための冷媒を蓄えるための低温タンクと、この低温タンク内の冷媒をチャックの冷却液流路へ送り出すためのポンプと、冷媒を冷却するための冷凍機と、チャックに対して流す冷媒の流量の調整を行う流量調整弁等を有した構成とされている。
【０００５】
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、低温タンク内に存在する湿った空気から水分が冷媒に吸収されることがある。この低温タンク内で水分を吸収した室温の冷媒が、冷凍機で０°Ｃ以下の低温に冷却されると、冷媒から水が析出し、この水は冷凍機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流れて流量調整弁に運ばれることがある。
【０００６】
氷を含んだ冷媒が流量調整弁に運ばれると、流量調整弁に氷が入り込み弁座と弁体が凍りつき、流量調整弁が適正に動作することができなくなる。このような異常が発生すると、冷凍機で冷却された約−７０°Ｃ（＝Ｔ４）の氷を含んだ低温冷媒が流量調整されずに低温タンクにそのまま流れ込むため、低温タンク内の冷媒温度が大きく低下して、プローバの設定温度を希望する温度に制御することができなくなる。
【０００７】
また、流量調整弁に氷が詰まった場合には、冷媒が流量調整弁を通過できなくなり、この場合には冷凍機で冷却された冷媒が低温タンクに供給されず、低温タンク内の冷媒温度が大きく上昇し、この場合においてもプローバの設定温度を希望する温度に制御することができなくなる。
【０００８】
そこで、引用文献１に開示された冷却システムでは、冷凍機と流量調整弁とを繋ぐ配管に氷をトラップできる氷フィルタ装置を設けた構成が提案されている。冷凍機と流量調整弁との間に氷フィルタ装置を設けることにより、冷凍機で発生し冷媒に混入した氷は氷フィルタ装置でトラップされて流量調整弁に至ることはなくなる。よって、流量調整弁は冷凍機で発生する氷に影響されることなく動作することが補償される。
【特許文献１】特開２００６−２８３９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、引用文献１に開示された冷凍システムでは、流量調整弁に氷が入り込むことは有効に防止できるが、氷フィルタ装置にトラップされる氷の量が増大し、必要流量を確保することができないレベルにまで達すると、冷却不良が発生するという問題点が生じる。
【００１０】
即ち，冷凍機で冷却された冷媒は流量調整弁に向け送り出されるが、氷フィルタ装置に大量の氷がトラップされた状態では、氷フィルタ装置内の流体抵抗が増大してしまう。よって、氷フィルタ装置を通過する冷媒の流量は低下し、冷却された冷媒が低温タンク内に十分に供給されなくなる。このため、氷フィルタ装置を設けても、やはり低温タンク内の冷媒温度が大きく上昇し、プローバの設定温度を希望する温度に制御することができなくなってしまう。
【００１１】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、氷フィルタ装置の氷詰まりを早期に検知しこれに対応することによりプローバの設定温度を希望する温度に適正に制御することを可能とした冷却ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題は、本発明の第１の観点からは、
冷媒を循環させる冷媒流路に設けられた循環ポンプと、
該冷媒流路に設けられ前記冷媒を冷却させる冷凍機と、
被温度制御対象を保持するため、前記冷媒流路に接続されたチャックと、
該チャックに設けられ、前記冷媒流路を加熱するヒーターと、
前記冷凍機で冷却された前記冷媒の流量調整を行う流量調整弁と、
前記冷凍機と前記流量調整弁との間に配設され、前記冷凍機で発生する氷を前記冷媒から除去することにより氷詰まりの発生を防止する氷詰まり防止装置と、
前記チャックのチャック温度を検出するチャック温度検出手段と、
チャック設定温度を設定する温度設定手段と、
該チャック設定温度の設定時からの経過時間を演算する時間演算手段と、
前記流量制御弁に対する流量調整弁指令値を演算する指令値演算手段と、
前記氷詰まり防止装置が正常時において前記チャック温度が前記チャック設定温度となるのに要する経過時間に基づき設定された判定開始時間を格納すると共に、該判定開示時間の経過後における前記流量調整弁の正常な弁開度を基準弁開度値として格納してなる格納手段と、
前記判定開始時間の経過後に、前記基準弁開度値に基づく判定値と前記流量調整弁指令値とを比較し、該流量調整弁指令値が前記判定値よりも大きいと判断したとき、前記氷詰まり防止装置に対する再生処理を開始する氷詰まり防止制御手段と、
を有することを特徴とする冷却システムにより解決することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱交換器で発生する氷によって氷フィルタ装置に氷詰まりが発生してきた場合、これを早期に検知して対応することができるため、プローバの設定温度を希望する温度に常に適正に制御することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態である冷却システムを示す全体構成図である。本実施形態に係る冷却システムは、大略するとチラーユニット１０，プローバ１１，及び各種制御処理を行う制御装置６０等により構成されている。
【００１６】
チラーユニット１０は、例えば半導体ウエハー（被温度制御対象）の試験に適用されるものであり、半導体ウエハーが搭載されるプローバ１１内のチャック１２を既定温度に保つ機能を奏するものである。
【００１７】
半導体ウエハーが搭載されるチャック１２には、伝熱盤Ｐが配設される。この伝熱盤Ｐは、チラーユニット１０の筺体２１（ハウジング）内に収納された冷凍機２２の熱交換器２３で温度を下げられた冷媒２４（例えば、フッ素系化学液からなる）を伝熱盤Ｐ内に形成された冷却通路２９に流すことにより、また伝熱盤Ｐに取り付けられた伝熱盤ヒーター３０で加熱することにより、例えば−７０°Ｃ〜２００°Ｃの範囲で温度制御される。この伝熱盤ヒーター３０は、伝熱盤Ｐに設置した温度センサー３０ａの検知する温度に基づいて制御され、伝熱盤Ｐが予め定めた設定温度になるように伝熱盤Ｐを加熱する。
【００１８】
伝熱盤Ｐの温度制御を行うチラーユニット１０は、冷媒２４を循環させるための循環ラインＬ１，Ｌ２と、前記の冷凍機２２と、冷媒２４を貯留する低温タンク２５と、冷媒２４を循環させる循環ポンプ２７と、熱交換器２３で冷却される冷却液の流量を調整する流量調整弁２８と、熱交換器２３に設けた冷却液通路（図示せず）と、熱交換器２３で冷媒２４に混入した氷をトラップする氷フィルタ装置５０等を有した構成とされている。
【００１９】
循環ラインＬ１とＬ２の一部或いは全部はステンレス等の金属材料により構成されており、またチラーユニット１０内において冷媒２４と接触する構成要素の一部或いは全部もステンレス等の金属材料により構成されている。尚、本実施形態に係るチラーユニット１０は、冷媒２４としてガルデン液やＨＦＥ７２００（商標）等のフッ素系化学液を用いている。
【００２０】
熱交換器２３は二重管で構成されており、その内管が冷凍機２２側の冷媒の流れる冷媒通路とされ、内管と外管との間に形成される通路が冷媒２４の流れる冷却液通路とされている。冷媒２４は、この熱交換器２３で冷凍機側冷媒と熱交換して冷却されるようになっている。なお、低温タンク２５からの冷媒２４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２２からの冷媒が流れるようにしてもよい。
【００２１】
低温タンク２５はチラーユニット１０の筺体２１内に収納されており、ほぼ密閉された断熱構造とされている。低温タンク２５内の上部空間には、この上部空間を大気に開放する大気開放チューブ２６が設けられており、低温タンク２５の液面が上昇や下降して、低温タンク２５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している。
【００２２】
尚、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化学液からなる冷媒２４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、低温タンク２５内に存在する湿った空気から水分が冷媒に吸収されることがあることは前述した通りである。
【００２３】
循環ポンプ２７の吸入側は、低温タンク２５に接続されている。また循環ポンプ２７の吐出側は、熱交換器２３の入口に冷媒２４を送る循環ラインＬ１に接続されると共に、伝熱盤Ｐの冷却通路２９に冷媒２４を送る循環ラインＬ２に接続されている。この循環ポンプ２７は、後述する制御装置６０により駆動制御が行なわれる。また、循環ポンプ２７にはリリーフ弁６５が設けられており、循環ポンプ２７から一定の圧力で冷媒が供給されるよう構成されている。
【００２４】
流量調整弁２８は、冷凍機２２と低温タンク２５とを接続する冷却液循環配管３２に取り付けられている。この流量調整弁２８は、図２に示すように、ステンレス製のケーシング２８ａの上部に駆動部２８ｂ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２８ａの底部に開口する冷媒入口２８ｃと、冷媒入口２８ｃより上方でケーシング２８ａの側面に開口する冷媒出口２８ｄと、冷媒入口２８ｃと冷媒出口２８ｄを連通する冷媒流路２８ｅと、冷媒流路２８ｅの途中に形成したケーシング２８ａと一体の弁座２８ｆと、弁座２８ｆの下部に配置され、弁座の２８ｆの下方から弁座２８ｆに離接して冷媒流路２８ｅを開閉する樹脂製の弁体２８ｇから構成されている。
【００２５】
弁体２８ｇは、弁棒２８ｈによって駆動部２８ｂに連結されるとともに、その下方から復帰スプリング２８ｉによって弁座２８ｆ側に付勢されている。また、弁体２８ｇは、ケーシング２８ａの底部から突接されたガイド部材２８ｊによって案内されるようになっている。尚、２８ｋはケーシング２８ａに設けた断熱材である。
【００２６】
このように構成された流量調整弁２８は、冷媒入口２８ｃに熱交換器２３及び氷フィルタ装置５０からの配管２３ａが接続され、冷媒出口２８ｄに冷却液循環配管３２が接続される。また、駆動部２８ｂは後述する制御装置６０に接続されており、よって流量調整弁２８は制御装置６０によりその駆動が制御される。
【００２７】
具体的には、流量調整弁２８は制御装置６０において例えば５秒おきに出される開指令に基づいて開閉制御される構成とされており、この制御装置６０から指令される流量調整弁指令値によって駆動部２８ｂは復帰スプリング２８ｉの付勢に抗して弁体２８ｇを弁座２８ｆから所定時間離間（開弁）させる。流量調整弁２８が開弁すると、熱交換器２３で冷却された冷媒２４は流量調整弁２８を通過して低温タンク２５に流入する。
【００２８】
また、上記の所定時間が経過すると、駆動部２８ｂによって弁体２８ｇが駆動されなくなるので、弁体２８ｇは復帰スプリング２８ｉの付勢力によって復帰して冷媒流路２８ｅを閉じるようになる。流量調整弁２８はこの開閉を繰り返すことにより熱交換器２３で冷却された冷媒２４を低温タンク２５に供給する。この制御を行うことにより、低温タンク２５内の冷媒２４の温度は、チャック１２の設定温度に対応した温度に調整される。
【００２９】
制御装置６０は、チャック１２の温度が設定された設定されたチャック設定温度（Ｘ）に対して低いとき、また低温タンク２５内の冷媒２４の温度（以下、低温タンク内温度（θ）という）がチャック設定温度（Ｘ）に対応した設定温度よりも低いとき、弁体２８ｇの開弁時間が長くなるよう流量調整弁指令値を設定する。尚、チャック１２の温度は温度センサー３０ａにより検出され制御装置６０に送信され、低温タンク２５内の温度は温度センサー２８ａにより検出され制御装置６０に送信される。
【００３０】
氷フィルタ装置５０は、熱交換器２３と流量調整弁２８とを接続する配管２３ａに設けられている。この氷フィルタ装置５０は、低温タンク２５内の室温の冷媒２４を熱交換器２３によって０℃以下の低温にしたとき熱交換器２３で発生する氷が流量調整弁２８に入るのを防止するためのものであり、流量調整弁２８への氷詰まり防止機構として機能している。
【００３１】
図３は、氷フィルタ装置５０の断面図である。氷フィルタ装置５０は、一端が開口したケーシング本体５５と、この開口を液密に閉蓋する蓋５６とからなるケーシング５４と、水は通過させるが熱交換器２３で発生した氷はトラップする金網製のフィルタ５７ａとから構成されている。
【００３２】
ケーシング本体５５は、図３において下端が開口端として開放された略円筒状の容器として構成されている。このケーシング本体５５の上壁５５ａには、ケーシング本体５５内に連通する可撓ホース５８が液密に取り付けられている。このホース５８は、熱交換器２３に接続された配管２３ａに接続される。
【００３３】
蓋５６は、ケーシング本体５５の側壁５５ａと同じ厚さの縁部５６ｂを有する容器状に形成されている。蓋５６の底壁５６ａには、継手５９が液密に取り付けられている。この継手５９は、流量調整弁２８の入口側に接続される。蓋５６の縁部５６ｂには、ケーシング本体５５の段部５５ｃに係合する突出部５６ｃがその全周にわたって一体に形成されている。
【００３４】
フィルタ５７ａは、金網から形成されている。このフィルタ５７ａは、ケーシング本体５５の段部５５ｂの外径とほほ等しい円板状に形成されている。このフィルタ５７ａを形成する金網のメッシュサイズは、６０〜１００メッシュとされている。
【００３５】
このメッシュサイズとすることにより、熱交換器２３で冷却された冷媒とともに運ばれてきた氷をトラップするとともに、後述するようにフィルタ５７ａでトラップした氷を溶かして水にしたとき、溶けた水が重力のみでフィルタ５７ａを通過するからである。また、フィルタ５７ａを６０〜１００メッシュの金網から形成すると強度不足となるため、フィルタ５７ａの両側は一対の補強部材５７ｂ，５７ｂによって押さえられている。
【００３６】
このフィルタ体５７は、ケーシング本体５５と蓋５６とで挟持することによってケーシング５４に固定される。またこれにより、ケーシング５４内には冷媒が流れるとともにフィルタ５７ａでトラップされた氷が溜まる上部室５４ａと、氷が除去された後の冷媒が流れる下部室５４ｂとに画成される（上部室５４ａは下部室５４ｂより大きな空間とされている）。
【００３７】
尚、前記のようにチャック１２内には冷却通路２９が配設されているが、この冷却通路２９の冷却液入口側は伝熱盤接続配管３５（往き管）に接続され、冷却液出口側は伝熱盤接続配管３６（戻り菅）に接続されている。伝熱盤接続配管３５は、循環ポンプ２７の吐出口に接続した冷却液供給配管３３に接続されている。また、伝熱盤接続配管３６は、低温タンク２５に連通する冷却液供給配管３４（戻り菅）に接続されている。
【００３８】
制御装置６０は、後述する流量調整弁制御処理及び氷詰まり抑制制御処理等の各種制御処理を実行するものである。この制御装置６０にはチラーユニット１０及びプローバ１１を構成する各種機器及びセンサーが接続されているが、図１には本発明の主要構成となる機器及びセンサーと制御装置６０との接続のみを図示している。また、制御装置６０には入力装置６１及び記憶装置６２が接続されている。入力装置６１は、後述するチャック設定温度（Ｘ）を入力するのに用いられる。また、記憶装置６２は、後述する流量調整弁制御処理及び氷詰まり発生確認処理に必要とされる各種データが格納されている。
【００３９】
このように構成されたチラーユニット１０は、前記のように循環ラインＬ１，Ｌ２の二つの循環ラインを有している。循環ラインＬ１においては、冷媒２４は低温タンク２５→循環ポンプ２７→熱交換器２３（冷凍機２２）→氷フィルタ装置５０→流量調整弁２８→低温タンク２５と循環する。また、循環ラインＬ２では、冷媒２４は低温タンク２５→循環ポンプ２７→冷却液供給配管３３→伝熱盤接続配管３５→伝熱盤Ｐの冷却通路２９→伝熱盤接続配管３６→冷却液供給配管３４→低温タンク２５と循環する。
【００４０】
また、チラーユニット１０には、循環ラインＬ１，Ｌ２とは別に、低温タンク２５内に冷却液を補給するほぼ密閉された常温タンク３８が設けられている。この常温タンク３８は低温タンク２５の下方に設けられており、また常温タンク３８内の上部空間にはタンク上部空間を大気に開放する大気開放チューブ３９が接続されている。常温タンク３８の容積は、低温タンク２５へ冷媒２４を補給できる量を確保しうる容積とされている。
【００４１】
この常温タンク３８には、循環ラインＬ１，Ｌ２の冷媒２４の液量が減少して冷却液が足りなくなったとき、常温タンク３８内の冷媒２４を低温タンク２５に補給する補給ポンプ４０が接続されている。補給ポンプ４０は、低温タンク２５内に設けた液面センサー４１の検知する液量に基づいて自動的に運転されるようになっている。補給ポンプ４０により常温タンク３８から送り出される冷媒２４は、補給用ホース４０ａにより低温タンク２５に送られる。
【００４２】
この液面センサー４１は、制御装置６０に接続されている。そして、液面センサー４１により液面２５ａの高さが所定位置より低くなったと判断されたとき、制御装置６０は低温タンク２５内の冷媒２４の液量が減少したと判断し、補給ポンプ４０を駆動開始する構成とされている。
【００４３】
また、常温タンク３８は、制御装置６０に接続された液面センサー４３が取り付けられている。そして、この液面センサー４３が常温タンク３８の冷媒が一定量以下となったことを検知すると、制御装置６０は接続されたアラーム駆動指令手段(図示せず)を駆動しアラームを発する構成とされている。
【００４４】
また、チラーユニット１０では、冷却通路２９を高温に制御したときに循環ラインＬ１，Ｌ２内で冷媒２４が膨張して、低温タンク２５内の液面２５ａが上昇することがある。このため、低温タンク２５にはオーバーフロー管４２が設けられており、上昇した低温タンク２５内の余分な冷媒２４はオーバーフロー管４２を介して補給タンク３８に移動させる構成とされている。
【００４５】
続いて、上記構成とされたチラーユニット１０の基本動作について説明する。
【００４６】
伝熱盤Ｐを高温（例えば、４０°Ｃ以上）で温度制御するときは、制御装置６０は循環ポンプ２７の運転を停止し、伝熱盤Ｐに取り付けた伝熱盤ヒーター３０を駆動する。伝熱盤ヒーター３０は、温度センサー３０ａが検知する温度に基づいて伝熱盤Ｐの温度が設定温度になるように恒温制御がされる。
【００４７】
一方、伝熱盤Ｐを低温（例えば４０°Ｃより低い温度）で温度制御するときは、制御装置６０は循環ポンプ２７を駆動する。循環ポンプ２７は、低温タンク２５内の冷媒２４を冷凍機２２の熱交換器２３に送ると共に、冷却液供給配管３３及び伝熱盤接続配管３５を通して伝熱盤Ｐの冷却通路２９に送る。
【００４８】
熱交換器２３の冷却液通路に送られた冷媒２４は、熱交換器２３の冷媒通路を流れる冷凍機２２側冷媒と熱交換して温度を下げ、流量調整弁２８を通って低温タンク２５に戻される。この際、低温タンク２５に戻される冷媒２４の流量は、流量調整弁２８により制御される。この流量調整弁２８の制御は制御装置６０により行なわれるが、この制御装置６０による流量調整弁２８の制御については、説明の便宜上、後述するものとする。
【００４９】
このようにして、循環ラインＬ１を流れる冷媒２４は熱交換器２３によって徐々に温度が下げられていく。他方、伝熱盤Ｐの冷却通路２９に送られた冷媒２４は、冷却通路２９を通る間に温度を上げ、伝熱盤接続配管３６、冷却液供給配管３４を通って低温タンク２５に戻される。
【００５０】
ところで、上記のように伝熱盤Ｐを冷媒２４と伝熱盤ヒーター３０によって温度制御するとき、循環ラインＬ１，Ｌ２の冷媒２４がその揮発や収縮などによって減少することがある。このようにして循環ラインＬ１，Ｌ２の冷媒２４が減少すると、低温タンク２５に設けた液面センサー４１からの信号により制御装置６０は冷媒２４の減少を検知する。
【００５１】
これにより、制御装置６０は補給ポンプ４０を駆動し、常温タンク３８内の冷媒２４を低温タンク２５に補給する。また、常温タンク３８から低温タンク２５に冷媒２４が補給され、液面センサー４１が冷媒２４の減少を検知しなくなると、制御装置６０によって補給ポンプ４０の運転が停止される。
【００５２】
一方、冷媒２４の膨張に伴い低温タンク２５の液面２５ａが上昇し、冷媒２４がオーバーフロー管４２の冷却液入口４２ａを超えると、冷媒２４はオーバーフロー管４２に流れ込み、重力によってオーバーフロー管４２内を下降して常温タンク３８へ移動する。
【００５３】
これによって低温タンク２５内の余分な冷媒２４は常温タンク３８に流れるため、低温タンク２５内の液面２５ａがオーバーフロー管４２の冷却液入口４２ａの高さ以上となるようなことはない。これにより、チラーユニット１０に必要な最小限の冷媒２４以外は、常温タンク３８に溜められることになる。
【００５４】
また、常温タンク３８内の冷媒が一定量以下になると、液面センサー４３がそれを検知し、その検知信号が制御装置６０に送信される。制御装置６０はこの検知信号を受信すると、接続されたアラーム駆動指令手段（図示せず）駆動してアームを発する。これにより、冷媒２４の不足により、チラーユニット１０の稼動に不都合が生じることを防止できる。
【００５５】
次に、制御装置６０による流量調整弁２８の制御動作について説明する。
【００５６】
制御装置６０は、低温タンク２５内に設けた温度センサー２８ａの検知温度、及びチャック１２に設けられた温度センサー３０ａの検知温度に基づいて流量調整弁２８を制御し、低温タンク２５内の冷媒２４の温度が伝熱盤Ｐの設定温度に対応した所定の設定温度になるように循環ラインＬ１を流れる冷媒２４の液量を調整する。
【００５７】
図６は、制御装置６０による流量調整弁２８の制御処理を示すフローチャートである。同図に示す流量調整弁制御処理が起動すると、制御装置６０はステップ１０（図ではステップをＳと略称している）において、入力装置６１から入力されたチャック設定温度（Ｘ）を読み込む。また、チャック設定温度（Ｘ）が読み込まれると、制御装置６０はチャック設定温度（Ｘ）に基づき低温タンク２５の低温タンク設定温度（Ｘ'）を演算する。この低温タンク設定温度（Ｘ'）は、Ｘ'＝Ｘ−α（αは定数）で求められる。本実施形態では、この定数αは一例として７℃に設定されている。
【００５８】
即ち、チャック１２は低温タンク２５から供給される冷媒２４により冷却されるが、冷媒２４の温度は低温タンク２５からチャック１２に至る経路（冷却液供給ホース３４，伝熱盤接続ホース３６等）において熱侵入が必然的に発生する。このため、低温タンク２５内の冷媒２４の温度をチャック設定温度（Ｘ）とすると、この熱侵入によりチャック１２に至ったときの冷媒２４の温度は、チャック設定温度（Ｘ）よりも高い温度となり、チャック１２をチャック設定温度（Ｘ）とすることができない。このため、予め低温タンク２５内の冷媒２４の温度を温度は低温タンク２５からチャック１２に至る経路で発生する昇温分だけ低く設定している。定数αは、この低温タンク２５からチャック１２に至る経路で発生する昇温温度に基づき設定されている。
【００５９】
上記のようにステップ１０において、チャック設定温度（Ｘ）が指定されると共に、これに伴い低温タンク設定温度（Ｘ'）が演算されると、制御装置６０は低温タンク２５内の冷媒２４の温度（以下、低温タンク内温度（θ）という）が低温タンク設定温度（Ｘ'）となるよう制御し、又伝熱盤Ｐを低温タンク２５から追った冷媒２４と、伝熱盤Ｐに内蔵したヒーター３０ａにより制御する。また、これと同時に制御装置６０は、ステップ１２において内蔵されているタイマーを起動する。よって、チャック設定温度（Ｘ）の設定後の時間は、このタイマーにより求めることができる。
【００６０】
尚、本実施形態では入力装置６１からチャック設定温度（Ｘ）を入力する構成を示しているが、冷却システムが被温度制御対象の試験を行う試験装置のホストコンピュータに接続されている場合には、このホストコンピュータから直接指定される構成とすることも可能である。
【００６１】
続くステップ１４では、温度センサー２８ａから低温タンク内温度（θ）を検出する。更に、制御装置６０は、前記したステップ１２で起動したタイマーから、チャック設定温度（Ｘ）を設定した後の経過時間（ｔ）を演算する。
【００６２】
続くステップ１８では、ステップ１０で求められた低温タンク設定温度（Ｘ'）、ステップ１４で求められた低温タンク内温度（θ）、ステップ１６で演算された経過時間（ｔ）に基づき、制御装置６０はＰＩＤ制御により流量調整弁指令値（Ｚ）を演算する。このように流量調整弁指令値（Ｚ）が演算されると、続くステップ２０において、制御装置６０はステップ１８で求められた流量調整弁指令値（Ｚ）に基づき流量調整弁２８を駆動する。
【００６３】
続くステップ２２では、ステップ１０による新たなチャック設定温度（Ｘ）の入力があったか否かを判定する。新たなチャック設定温度（Ｘ）の入力があった場合、タイマーのリセットを行う必要がある。このため、ステップ２４で肯定判断（ＹＥＳ）が行なわれた場合、経過時間（ｔ）をリセット（ｔ＝０）とした上で、処理をステップ１０に戻す。
【００６４】
一方、ステップ２２において否定判断がされた場合は、ステップ２６の処理により５秒の経過するのを待って処理をステップ１４に戻す。
【００６５】
図５は、上記した流量調整弁制御を実施したときのチャック現在温度（Ｙ）の変化を示している。同図では、チャック設定温度（Ｘ）が＋２５℃から−４０℃に切替えられた例を示している。例えば、入力装置６１からチャック設定温度（Ｘ）が−４０℃に切替えられたとすると、ステップ１０の処理により、低温タンク設定温度（Ｘ'）は−４７℃に設定される（Ｘ'＝−４０−７＝−４７）。
【００６６】
また、低温タンク２５に対する流量調整弁指令値（Ｚ）は、前記のように低温タンク設定温度（Ｘ'）、低温タンク現在温度（θ）、及び経過時間（ｔ）に基づきＰＩＤ制御により決められる。よって、例えば図５においてチャック設定温度（Ｘ）が切替えられた直後である経過時間（ｔ1）では、流量調整弁指令値（Ｚ）は約１００％（１００％が全開）となっている。ＰＩＤ制御によりこの流量調整弁指令値（Ｚ）の値は低温タンク現在温度（θ）の値等により変化し、例えば経過時間（ｔ1）よりも所定時間経過した後である経過時間（ｔ２）では、流量調整弁指令値（Ｚ）は約８０％とされる。
【００６７】
そして、この流量調整弁２８に対する制御により、低温タンク２５内の冷媒２４の温度も変化し、チャック１２に供給される冷媒２４の温度も低下する。このため、図５に破線で示すように、チャック現在温度（Ｙ）の温度はチャック設定温度（Ｘ）である−４０℃に収束する温度変化となる。図５に示す例では、経過時間（ｔａ）においてチャック１２の温度はチャック設定温度（Ｘ）である−４０℃に安定した状態となる。このように、図６に示流量調整弁制御を実施することにより、チャック１２の温度をチャック設定温度（Ｘ）となるよう制御することができる。尚、同図において実線で示すのはチャック設定温度（Ｘ）である。
【００６８】
ところで、チャック設定温度（Ｘ）が設定されてから、実際にチャック１２のチャック現在温度（Ｙ）がチャック設定温度（Ｘ）となるまでの時間は、正常状態である場合（後述するような氷詰まりが発生していない場合）では常に略一定の時間となる（以下、この時間を基準収束時間ｔａという）。
【００６９】
そこで、記憶装置６２には、設定前後のチャック設定温度（Ｘ）の組み合わせと、この時にチャック現在温度（Ｙ）が設定後のチャック設定温度（Ｘ）となるまでの時間である基準収束時間ｔａとが関連付けられて各種格納されている。具体的には、上記の例では設定前（前回）のチャック設定温度（Ｘ１とする）が（Ｘ１＝＋２５℃）であり、設定後のチャック設定温度（Ｘ２とする）が（Ｘ２＝−４０℃）であり、この時の基準収束時間がｔａである。よって、組み合わせは（Ｘ１＝＋２５℃，Ｘ２＝−４０℃，ｔａ）となるが、この組み合わせも記憶装置６２に格納されている。
【００７０】
この組み合わせは種々考えられるが、実際の流量調整弁制御において用いられると想定される各種組み合わせが記憶装置６２に格納されている。従って、制御装置６０は、前回設定された前回チャック設定温度（Ｘ）と、今回設定された今回チャック設定温度（Ｘ）により、記憶装置６２からこの時の基準収束時間を求めることができる。
【００７１】
ところで、本実施形態に係る冷却ユニットは、流量調整弁２８に熱交換器２３で冷媒２４に混入する氷が詰まるのを防止するため、冷媒２４に混入された氷を流量調整弁２８に至る前にトラップする氷フィルタ装置５０を設けている。しかしながら、この氷フィルタ装置５０自体に氷が詰まった場合には、冷媒２４の流れが氷フィルタ装置５０により阻害され、流量調整弁２８に適正に冷媒２４が供給されず、結果としてチャック１２を適正に冷却することができなくことは前述した通りである。
【００７２】
そこで、制御装置６０は、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生したことを流量調整弁２８の開弁度により検出し、この検出結果に基づき氷フィルタ装置５０に対して氷を除去する再生処理を行う構成とされている。以下、この制御装置６０が実行する氷詰まりに対応する制御処理（氷詰まり制御処理）について説明する。
【００７３】
図７は制御装置６０が実行する氷詰まり発生確認処理を示すフローチャートであるが、同図を用いた具体的な制御処理の説明に先立ち、本実施形態において氷詰まりの発生を検出する原理について説明する。
【００７４】
図５を用いて説明したように、チャック設定温度（Ｘ）が設定されてから、実際にチャック１２のチャック現在温度（Ｙ）がチャック設定温度（Ｘ）となるまでの時間は、氷詰まりが発生していない正常である場合では常に一定の時間（基準収束時間ｔａ）となる。
【００７５】
図４は、チャック現在温度（Ｙ）がチャック設定温度（Ｘ）に達し、定常状態となった状態における定常時流量調整弁指令値とチャック設定温度との関係を示している。同図に示す基準弁開度値は、各種のチャック設定温度（Ｘ）が設定されたとき、当該チャック設定温度（Ｘ）において定常状態となったときにおける流量調整弁２８の流量調整弁指令値（特に、定常時流量調整弁指令値という）を示している。
【００７６】
同図より、上記のようにチャック設定温度（Ｘ）を−４０℃に設定した場合の定常時流量調整弁指令値を求めるには、基準弁開度値を示す線分と−４０℃との交点を求めればよい。よって、チャック設定温度（Ｘ）を−４０℃に設定した場合の定常時流量調整弁指令値は、１８％であることが分る。
【００７７】
以上の事項を纏めると、氷詰まりが発生していない正常状態においては、基準収束時間ｔａが経過した際、制御装置６０から流量調整弁２８に指定されている流量調整弁指令値（Ｚ）は１８％となる。
【００７８】
しかしながら、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生し、流量調整弁２８から冷媒２４が低温タンク２５に供給されない状態となると、低温タンク２５の低温タンク内温度（θ）は上昇してしまう。従って、低温タンク２５からチャック１２に供給される冷媒２４の温度も高くなり、チャック１２のチャック現在温度（Ｙ）も上昇してしまう。
【００７９】
図５に一点鎖線で示す特性は、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生した状態を示している。同図に示すように、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生した場合は、基準収束時間ｔａが経過した後も、チャック現在温度（Ｙ）はチャック設定温度（Ｘ）よりも高い温度を維持した状態となっている。よって、制御装置６０は、このようにチャック現在温度（Ｙ）がチャック設定温度（Ｘ）よりも高い場合は、図６のステップ１８，２０で説明したＰＩＤ制御により、流量調整弁２８に対する流量調整弁指令値（Ｚ）を基準弁開度値である１８％よりも大きな値に設定する。
【００８０】
従って、基準収束時間ｔａの経過後において、流量調整弁指令値（Ｚ）が基準弁開度値（本実施形態の場合は１８％）よりも大きい場合、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生していると判定することができる。本実施形態では、上記の原理に基づき氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生したか否かを判定している。
【００８１】
また検出精度を向上させるため、次に述べる二つの手段を講じている。即ち、上記した原理によれば、流量調整弁指令値（Ｚ）が基準弁開度値よりも大きいか否かを判定するタイミングは、基準収束時間ｔａであればよい。しかしながら本実施形態では、第１の手段として、基準収束時間ｔａよりも所定時間遅い時間であるｔｂ（図５参照）に設定している（以下、この時間を判定時間ｔｂという）。
【００８２】
このように、実際に氷詰まりが発生しているか否かの判定タイミングを基準収束時間ｔａよりも遅い判定時間ｔｂとすることにより、機器誤差等により発生する基準収束時間ｔａのばらつきの影響を排除することができ、氷詰まりの発生検出の精度を高めることができる。尚、基準収束時間ｔａは、前記のように前回のチャック設定温度（Ｘ）と今回のチャック設定温度（Ｘ）とに相関している。このため、判定時間ｔｂも前回のチャック設定温度（Ｘ）と今回のチャック設定温度（Ｘ）とに相関しており、これらは関連付けられて記憶装置６２に記憶されている。
【００８３】
一方、上記した原理によれば、氷詰まりの発生は、現在の流量調整弁２８に対する流量調整弁指令値（Ｚ）と、基準弁開度値（図４参照）との値を比較すればよいこととなる。しかしながら図４に示すように、基準弁開度値には実線で示す平均値に対して一定の誤差分布を有している（図４に、誤差分布を矢印Ａで示す）。この誤差は、チラーユニット１０及びプローバ１１を構成する機器や環境に起因して発生する。そこで本実施形態では、この基準弁開度値の誤差範囲の最大値である値を判定値Ｗとし、これと流量調整弁２８の実際の流量調整弁指令値（Ｚ）とを比較することにより、氷詰まりの発生を検出する構成としている。この判定値Ｗは、今回のチャック設定温度（Ｘ）に関連付けられて記憶装置６２に格納されている。
【００８４】
次に、上記した事項に基づき実施される氷詰まり発生確認制御について、図７を参照して説明する。尚、図７に示す詰まり制御処理は、図６に示した流量調整弁制御が起動することにより、同時に起動するよう構成されている。
【００８５】
この氷詰まり制御処理が起動すると、制御装置６０はステップ３０において、経過時間（ｔ）の読み込み、及び判定開始時間ｔｂの読み込みを行う。ここで読み取られる経過時間（ｔ）は、図６に示すステップ１６で演算されるものである。また判定開始時間ｔｂは前記のように記憶装置６２に記憶されているものであり、前回のチャック設定温度（Ｘ）と今回のチャック設定温度（Ｘ）とを指標として求められる。
【００８６】
ステップ３０において判定開始時間ｔｂ及び経過時間（ｔ）が読み込まれると、続くステップ３２では制御装置６０は経過時間（ｔ）が判定開始時間ｔｂとなったか否かを判定する。経過時間（ｔ）が判定開始時間ｔｂとなっていない場合は、ステップ３４以降の氷フィルタ装置５０の氷詰まり処理を行うことができないため、氷詰まり処理を終了する。
【００８７】
一方、ステップ３２において、経過時間（ｔ）が判定開始時間ｔｂとなったと判断されると、処理はステップ３４に進み、判定値Ｗの読み込みと流量調整弁指令値（Ｚ）の読み込みを行う。
【００８８】
ここで、判定値Ｗは記憶装置６２に格納されたものであり、図６のステップ１０で設定されたチャック設定温度（Ｘ）を指標として求められるものである。本実施形態のようにチャック設定温度（Ｘ）が−４０℃である場合、図４に示すように、判定値Ｗの値は２５％である。また、流量調整弁指令値（Ｚ）は、制御装置６０が現在流量調整弁２８に与えている流量調整弁指令値の値を読み込む（図６のステップ１８，２０参照）。
【００８９】
上記のようにステップ３４で判定値Ｗ及び流量調整弁指令値（Ｚ）が読み込まれると、続くステップ３６において、制御装置６０は流量調整弁指令値（Ｚ）が判定値Ｗを超えているか否か（Ｚ>Ｗ）の比較判断を行う。前記のように、流量調整弁指令値（Ｚ）が判定値Ｗよりも小さい場合は、氷フィルタ装置５０に氷詰まりは発生しておらず、冷媒２４を適正に流量調整弁２８に供給している状態である。このため、ステップ３６で否定判断（ＮＯ）がされた場合は、ステップ３８以下の再生処理を実施することなく、氷詰まり制御処理を終了する。
【００９０】
一方、ステップ３６で流量調整弁指令値（Ｚ）が判定値Ｗを超えていると判断された場合は、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生している状態である。よって、ステップ３６で肯定判断（ＹＥＳ）がされた場合は、ステップ３８以下の再生処理を実施する。
【００９１】
本実施形態では、伝熱盤ヒーター３０及び循環ポンプ２７を熱源として氷フィルタ装置５０内に詰まった氷を溶かす再生方法を採用している。具体的には、制御装置６０は冷凍機２２を停止させると共に伝熱盤ヒーター３０を駆動する。また、循環ポンプ２７を駆動して、循環ラインＬ１，Ｌ２に冷媒２４が循環するように設定する。これにより、冷媒２４は伝熱盤ヒーター３０で加熱され、これにより昇温した冷媒２４は氷フィルタ装置５０に至る。これにより、氷フィルタ装置５０内の氷は溶解されて液状となる。
【００９２】
このチラーユニット１０の再生運転は、氷フィルタ装置５０に発生している氷詰まりの具合に応じて運転時間を切替える必要がある。具体的には、判定開始時間ｔｂの経過時における流量調整弁指令値（Ｚ）の大きさに応じて運転時間を切り替え、流量調整弁指令値（Ｚ）が大きい場合には運転時間を長く設定し、流量調整弁指令値（Ｚ）が小さい場合には運転時間を短く設定する構成としてもよい。また、低温タンク２５内の温度センサー２８ａを利用し、運転時間を自動で設定する構成とすることも可能である。
【００９３】
このステップ３８の再生処理は、流量調整弁指令値（Ｚ）が判定値Ｗより小さくなるまで実施される（ステップ４０）。そして、流量調整弁指令値（Ｚ）が判定値Ｗより小さくなると、換言すると氷フィルタ装置５０の氷が溶融されて冷媒２４が円滑に氷フィルタ装置５０内を通過するようになると、ステップ４２において再生処理は停止され、図７に示す氷詰まり制御処理が終了する。
【００９４】
上記のように本実施形態に係る冷却システムによれば、熱交換器２３で発生する氷が冷媒２４に混入し、これにより氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生しても、流量調整弁２８に供給される流量調整弁指令値（Ｚ）に基づき、これを直ちに検出することができる。よって、氷フィルタ装置５０に対する再生処理を早期に実施することができ、チャック１２による被温度制御対象に対する恒温処理を確実に行うことができる。また、再生処理は自動的に開始され、かつチラーユニット１０を停止させる必要もないため、冷却ユニットの信頼性及び稼動の効率性を高めることができる。
【００９５】
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。
【００９６】
また、上記した実施形態では、判定開始時間ｔｂの設定に際し、基準収束時間ｔａよりも遅い時間とすることのみ説明したが、例えばチラーユニット１０がチャック１２の温度制御異常としてエラーを発生させるアラーム機能を有している場合には、このアラーム機能が起動する時間（図５に示すアーム発生時間ｔｃ）よりも判定開始時間ｔｂを短く設定することが望ましい。
【００９７】
これは、このようなアラーム機能が起動した場合、通常チラーユニット１０を停止させる必要があり、そのメンテナンスには多大の時間を要しチラーユニット１０の使用効率が低下する。しかしながら本実施形態では、図７を用いて説明したように、氷フィルタ装置５０に氷詰まりが発生しても、これを自動的に解凍することが可能であるため、チラーユニット１０を停止させる必要がなく、チラーユニット１０の効率を高めることができるからである。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である冷却ユニットの全体構成図である。
【図２】図２は、流量調整弁の断面図である。
【図３】図３は、氷フィルタ装置の断面図である。
【図４】図４は、チャック設定温度に達し、定常状態となった状態における定常時流量調整弁指令値とチャック設定温度との関係を示す図である。
【図５】図５は、流量調整弁制御時におけるチャック現在温度の変化の一例を示す図である。
【図６】図６は、流量調整弁の制御処理を示すフローチャートである。
【図７】図７は、氷詰まりの発生確認処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９９】
Ｐ 伝熱盤
Ｌ１，Ｌ２ 循環ライン
１０ チラーユニット
１１ プローバ
１２ チャック
２２ 冷凍機
２３ 熱交換器
２４ 冷媒
２５ 低温タンク
２７ 循環ポンプ
２８ 流量調整弁
２８ａ 温度センサー
２９ 冷却通路
３０ 伝熱盤ヒーター
３０ａ 温度センサー
３１，３２ 冷却液循環配管
３３，３４ 冷却液供給配管
３５，３６ 伝熱盤接続配管
３８ 常温タンク
４０ 補給ポンプ
４１ 液面センサー
４２ オーバーフロー管
４３ 液面センサー
５０ 氷フィルタ装置
６０ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を循環させる冷媒流路に設けられた循環ポンプと、
該冷媒流路に設けられ前記冷媒を冷却させる冷凍機と、
被温度制御対象を保持するため、前記冷媒流路に接続されたチャックと、
該チャックに設けられ、前記冷媒流路を加熱するヒーターと、
前記冷凍機で冷却された前記冷媒の流量調整を行う流量調整弁と、
前記冷凍機と前記流量調整弁との間に配設され、前記冷凍機で発生する氷を前記冷媒から除去することにより氷詰まりの発生を防止する氷詰まり防止装置と、
前記チャックのチャック温度を検出するチャック温度検出手段と、
チャック設定温度を設定する温度設定手段と、
該チャック設定温度の設定時からの経過時間を演算する時間演算手段と、
前記流量制御弁に対する流量調整弁指令値を演算する指令値演算手段と、
前記氷詰まり防止装置が正常時において前記チャック温度が前記チャック設定温度となるのに要する経過時間に基づき設定された判定開始時間を格納すると共に、該判定開示時間の経過後における前記流量調整弁の正常な弁開度を基準弁開度値として格納してなる格納手段と、
前記判定開始時間の経過後に、前記基準弁開度値に基づく判定値と前記流量調整弁指令値とを比較し、該流量調整弁指令値が前記判定値よりも大きいと判断したとき、前記氷詰まり防止装置に対する再生処理を開始する氷詰まり防止制御手段と、
を有することを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記氷詰まり防止装置に対する再生処理は、
前記循環ポンプを駆動し、前記冷凍機を停止させ、かつ前記ヒーターを駆動する処理である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷却システム。
【請求項１】
冷媒を循環させる冷媒流路に設けられた循環ポンプと、
該冷媒流路に設けられ前記冷媒を冷却させる冷凍機と、
被温度制御対象を保持するため、前記冷媒流路に接続されたチャックと、
該チャックに設けられ、前記冷媒流路を加熱するヒーターと、
前記冷凍機で冷却された前記冷媒の流量調整を行う流量調整弁と、
前記冷凍機と前記流量調整弁との間に配設され、前記冷凍機で発生する氷を前記冷媒から除去することにより氷詰まりの発生を防止する氷詰まり防止装置と、
前記チャックのチャック温度を検出するチャック温度検出手段と、
チャック設定温度を設定する温度設定手段と、
該チャック設定温度の設定時からの経過時間を演算する時間演算手段と、
前記流量制御弁に対する流量調整弁指令値を演算する指令値演算手段と、
前記氷詰まり防止装置が正常時において前記チャック温度が前記チャック設定温度となるのに要する経過時間に基づき設定された判定開始時間を格納すると共に、該判定開示時間の経過後における前記流量調整弁の正常な弁開度を基準弁開度値として格納してなる格納手段と、
前記判定開始時間の経過後に、前記基準弁開度値に基づく判定値と前記流量調整弁指令値とを比較し、該流量調整弁指令値が前記判定値よりも大きいと判断したとき、前記氷詰まり防止装置に対する再生処理を開始する氷詰まり防止制御手段と、
を有することを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記氷詰まり防止装置に対する再生処理は、
前記循環ポンプを駆動し、前記冷凍機を停止させ、かつ前記ヒーターを駆動する処理である請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷却システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１４４９９８（Ｐ２００９−１４４９９８Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２３８６５（Ｐ２００７−３２３８６５）
【出願日】平成１９年１２月１４日（２００７．１２．１４）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１４日（２００７．１２．１４）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
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