KR100456128B1

KR100456128B1 - 국소 환경을 제어하는 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100456128B1
Application number: KR10-2001-7010268A
Authority: KR
Inventors: 바비키안디크란; 와드브라이안
Original assignee: 에이에스엠엘
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 2000-02-11
Publication date: 2004-11-08
Also published as: TW449777B; EP1269092B1; EP1269092A4; WO2000047933A2; DE60027784T2; WO2000047933A3; EP1269092A2; US7389813B2; US6966364B1; ATE325318T1; KR20020010572A; US20050279490A1; DE60027784D1

Abstract

본 발명은 국소 환경을 제어하는 시스템 및 방법을 제공한다. 일실시예에서, 유입 공기는 공기가 접촉 매체에 분배된 물과 접촉되는 직접 접촉 냉각기-콘덴서 (DCCC)와 같은 접촉기로 유입된다. DCCC를 통과한 후에, 공기는 물의 온도에 근접한 또는 동일한 온도로 포화된다. DCCC에서 유입 공기의 상태에 따라 소망 습도비로 포화된 공기를 형성하도록 그 공기는 가습 또는 건조된다. 일실시예에서, 송풍기는 DCCC를 통하여 공기를 인출하여 히터로 송풍시킨다. 히터는 소망 건구 온도로 공기를 가열한다. 배출되기 전에, 공기는 필터를 통하여 이동된다.

Description

국소 환경을 제어하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING LOCAL ENVIRONMENT}

공기와 같은 처리 가스의 온도, 상대 습도 및 입자의 확실한 제어가 쟁점화되는 반도체 제조의 많은 적용분야가 있다. 창과 제(Chang Sze)의 “ULSI 기술(ULSI Technology)”(1996)이 본 명세서에 참고문헌으로 포함된다.

계측(metrology), 리소그라피(lithography)와 포토레지스트 및 현상액이 실리콘 웨이퍼에 적용되는 트랙 영역을 포함하는 파운드리(foundry)는 24±0.1℃에서 45%±0.5%의 상대 습도를 갖는 공기를 요구하고, 반면에 다른 청정룸은 24±0.5℃에서 45%±5%의 상대 습도를 요구한다. 예를 들어, 포토레지스트 스핀 스테이션(spin station)으로 전달된 공기의 습도는 그 공기의 습도가 레지스트의 용매의 증발률에 영향을 미치기 때문에 제어되어야 한다. 입자 오염을 방지하기 위해서, 처리 영역은 또한 클래스(Class) 1(0.12미크론에서)을 요구하는 반면에 주위 영역은 단지 클래스 1000(0.3미크론에서)을 요구한다. 공기의 속도는 층류 영역에서 0.35 m/sec이다.

파운드리는, 탄화 수소 및 다른 외부 물질과, 공기와 접촉되는 재료의 탈기작용과, 공기의 압력과, 공기를 공정으로 전달하는 시스템의 정전기 방전을 포함하는, 공기의 질에 영향을 미치는 다른 매개변수를 제어해야 한다.

특히 청정도에 대한 이러한 요구사항 때문에, 일부 파운드리에서는 전체 청정룸보다는 중요한 공정의 국소 또는 소환경을 제어하는 것이 추구되고, SMIF 포드(표준 기계 인터페이스)에서 웨이퍼를 소환경 외부로 이송한다. 창과 제(Chang Sze)의 12-13페이지에서 소환경은 비용에서 효과적이지만, 공기와 같은 정확하게 제어된 가스의 전달을 요구한다.

공기-물 시스템에서, 가습과 건조는 액체 물상태와 고정 공기 상태 사이의 물의 이송을 포함하고, 그 공기는 물에서 불용해성이다. 열전달과 물질전달은 온도와 상대 습도가 함께 결합되도록 서로 영향을 미친다.

비습도(specific humidity)는 건조 공기의 단위 질량에 의해 운반된 수증기의 질량으로서 정의된다. 상대 습도는 가스 온도에서 물의 증기압에 대한 수증기의 분압 비율로서 정의되고, 100퍼센트 상대 습도가 포화 공기를 의미하고 0퍼센트는 건조 공기를 의미하도록 퍼센트를 기초로 하여 표현된다.

온도와 습도의 정확한 조절은 주위 공기 조건의 변화와 같은 외란을 보상하도록 폐루프 제어의 사용을 필요로 한다. 온도와 상대 습도 사이를 결합함으로써 폐루프 제어기의 설계가 이루어진다.

반도체 산업은 3단계로 공정 공기의 온도와 상대 습도를 제어하기 위해 시도하였다. 제 1 단계에서 냉각기가 소망값 이하로 유입 공기의 온도 및 습도를 낮추며, 제 2 단계에서 히터가 소망값으로 공기의 온도를 높이고, 제 3 단계에서 요구된 상대 습도를 형성하기 위해서 스팀 공급원이 공기에 가습을 한다. 그러나, 스팀 공급원에서 물의 비등은 불안정하고 복잡한 공정이며, 요구된 허용한계 ±0.5% RH내에서 습도를 조절하기 위해 요구된 양의 수증기를 발생시키는 비등을 조절하는 것이 어렵다. 또한, 히터 동력 공급의 변화로부터 기인하는 습도 레벨의 반응 시간이 너무 느리고 예측불가능하다. 온도와 상대 습도가 결합되어 공기를 가습하는데 사용된 증기의 양을 정확하게 조절하는 것이 어렵기 때문에, 이 종래의 접근방법은 상당한 단점을 가지게 된다.

본 발명은 일반적으로 국소 환경의 제어에 관한 것으로, 특히 반도체 장치로 전달된 공기와 같은 가스의 온도, 습도 및 청정도를 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 시스템의 일실시예의 개략도이다.

도 2는 공기-물 시스템에 사용하기에 적합한 직접 접촉 냉각기-콘덴서(DCCC)의 실시예를 도시한다.

도 3a는 DCCC의 원통형 하우징에 구성된 스프링클러의 일실시예의 평면도이다.

도 3b는 도 3a의 선 A-A에서 취해진 스프링클러 암의 단면도이다.

도 3c는 도 3b의 선 B-B에서 취해진 스프링클러 암의 단면도이다.

도 3d는 오리피스의 방향과 간격을 도시하는 스프링클러 암의 사시도이다.

도 3e는 스프링클러 암의 내측 구조를 보여주는 스프링클러 암의 단면도이다.

도 4는 본 발명에 사용하기에 적합한 제어 시스템의 일실시예를 도시한다.

도 5a-5f는 본 발명을 실행하는 소프트웨어의 일실시예에 의해 수행된 일단의 작업을 도시한다.

도 6은 제어 시스템의 다른 실시예를 도시한다.

도 7은 본 발명의 시스템에서 공기를 가습하는 공정 경로를 보여주는 습공기선도이다.

도 8은 본 발명의 시스템에서 공기를 건조시키는 공정 경로를 보여주는 습공기선도이다.

도 9는 상대 습도를 온도와 분리한 결과를 도시하는 그래프이다.

본 발명은 최종 습도와 온도가 분리된 매개변수로서 취급되기 때문에 이전에 사용된 시스템에 대한 확고한 비용 효율적인 대안을 제공한다.

바람직한 실시예에서, 가스-액체 접촉기는 액체가 가스와 밀착접촉되도록 하여 가스가 포화 온도에서 접촉기로부터 배출되고, 히터는 소망 온도로 가스를 가열하며, 가스의 절대 습도는 접촉기로의 입구 액체 온도에 의해 고정된다.

바람직한 실시예에서, 시스템에는 결합된 온도와 습도 출력을 제어하는 어려움이 방지된다. 공기-물 시스템에서, 습공기의 열역학으로부터 공기의 건구 온도와 포화 온도가 그 공기의 상대 습도를 결정함을 알 수 있다. 스팀 테이블(steam table)의 사용으로 인해, 온도와 상대 습도를 제어하는 문제는 건구 온도와 포화 온도 중 하나를 제어하는 것으로 변환될 수 있다. 이 매개변수의 제어에서 직접 결합이 없기 때문에, 본 발명은 ULSI 기술에서 사용된 국소 환경의 정확한 제어를 가능하게 한다.

본 발명은 가스-액체 시스템의 국소 환경을 제어하는 시스템에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 시스템은 가스를 가습하거나 건조시키는 가스-액체 접촉기(contactor)(100)를 사용한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 가스-액체 접촉기(100)는 접촉 매체(106)로 채워진 하우징과, 접촉 매체(106) 아래의 가스 입구(102)와, 접촉 매체(106) 위의 가스 출구(107)와, 접촉 매체(106) 위의 액체 스프링클러(108)와, 출구(112)를 갖춘 하우징 아래의 액체 저장소(110)를 포함한다.

바람직한 실시예에서, 가스-액체 접촉기(100)는 냉각 타워와 같이 작동하는 직접-접촉 냉각기 콘덴서이지만, 대신에 액체는 가열되고 가스는 냉각된다. 지배 방정식과 해법은 유사하다. 냉각 타워 이론은 참고문헌으로 포함되는 밀스와 어윈(Mills Irwin)의 “열전달 및 물질전달(Heat and Mass Transfer)”(1995)에 의해 다루어진다.

바람직한 실시예에서, 접촉 매체(106)는 액체와 가스에 화학적으로 비활성인 큰 표면적/부피를 갖는 재료이며, 그 접촉 매체로 접촉 후 액체와 함께 가스를 포화시키도록 충분한 열전달과 물질전달을 위해 액체와 가스를 밀착접촉시킨다. 적합한 재료는 타워 패킹(tower packing), 냉각 코일 및 튜브이다. 맥카베와 스미스(McCabe Smith)의 “유닛 작동(Unit Operations)”(1976 후판)과 “화학 공학의 페리의 핸드북(Perry's Handbook of Chemical Engineering)”(1973 후판)은 적합한 접촉 매체를 제공하고 참고문헌으로 포함된다.

종래의 냉각 타워 패킹은 통상적으로 압력 강하를 감소시키기 위해서 큰 수력 직경을 구비하지만, 공간이 거의 없으면, DCCC 100의 소형성(compactness)이 통상적인 압력 강하의 방지보다 더욱 중요하다. 어떠한 타워 패킹이 선택되든지, 체적당 큰 표면적을 구비하는 것이 바람직하다.

출구(112)로부터의 액체는 냉각 시스템(146)에 연결된 열교환기(114)의 입구(116)로 유입된다. 냉각 시스템(146)과 열교환기(114)를 포함하는 냉각기는 액체를 냉각시킨다. 액체는 출구(118)로부터 펌프(120)로 다시 귀환되어 유량계(140)를 통하여 유동되고, 입구(104)에서 가스-액체 접촉기(100)로 유입되어 스프링클러(108)로 유동되며, 폐루프 순환을 형성하게 된다.

폐루프 순환은 액체 온도의 편차가 크지 않기 때문에 바람직하며 냉각기에 의해 작동 조건으로 더욱 신속하게 복귀될 수 있다. 또한, 폐루프 순환은 물의 정화 비용을 낮게 하지만, 가습의 보충과 건조의 제거가 요구된다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 시스템은 저장소(110)의 보충(make-up) 입구(178) 및 제거 출구(179)와, 제거 또는 보충 액체가 요구될 때를 가리키는 고저(high and low) 저장소 센서(174, 176)를 제공한다. 적합한 고저 센서는 코볼드 장비 회사(Kobold Instruments, Inc.)에 의해 제조된 NCG 다점 레벨 스위치(Multipoint Level Switch)이다.

"폐루프"에서 일정 퍼센트의 액체가 바람직하게 순도 요구를 충족하도록 새로 공급된다. 액체에 작동 조건과 정화 비용을 형성하는 냉각기의 용량은, 적합한 퍼센트의 액체가 보충 입구(178)를 통하여 "폐루프"에 추가되도록 한다. 바람직한 퍼센트는 시간당 순환 액체의 50%이다.

스프링클러(108)는 접촉 매체(106) 위로 액체를 균일하게 분배하는 것이 바람직하다. 일실시예에서, 시스템은 열교환기(114)에 유입되고 배출되는 액체의 온도를 측정하기 위해서 온도 센서(128, 126)를 포함하지만, 다른 실시예에서 시스템은 제어를 위한 가스 온도 센서(122, 144)만을 포함한다.

도 1의 실시예에서, 송풍기(blower)(136)는 밸브(134), 정변위 유량계(PDFM)(132) 및 접촉 매체(106) 아래의 가스 입구(102)로 가스를 이동시킨다.

도 2에 도시된 다른 실시예에서, 가스는 주위로부터 입구(202)로 유입되고, 송풍기(236)는 접촉기의 하류에 구성되며, 밸브(134)와 유량계(132)는 사용되지 않는다.

바람직한 실시예에서, 가스는 하향유동하는 액체에 대향하여 접촉 매체(106)를 통해 상향으로 유동한다. 그러나, 이는 출구에서 포화 가스를 형성하는 어떠한 가스-액체 접촉도 충분하기 때문에 반드시 대향 유동될 필요가 없다. 액체에 접촉한 후에, 가스는 증기로 포화된 출구(107)에서 배출되어 가스 온도가 소망값으로 증가되는 히터 코일(142)을 갖춘 히터(138)로 이동한다. 적합한 가열 코일(142)은 가열 격자(grid)를 형성하도록 2개의 층에서 뱀형상 패턴으로 구성된 와트로우 고던(Watlow Gordon) 1.5875mm(1/16인치) 직경의 케이블 히터이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 시스템은 가스-액체 접촉기(100)에 유입되고 배출되는 가스를 측정하기 위해 가스 온도 센서(124, 122)를 포함한다.

따라서, 바람직한 실시예는 두 단계를 포함한다. 제 1 단계에서, 냉각된 액체의 유동과 직접 접촉함으로써 가스가 냉각 및 가습 또는 건조되는 접촉매체를 통하여 가스가 유동된다. 이 단계에서, 액체를 가열하고 가스를 냉각함으로써 충분한 포화 상태에서 가스와 냉각된 액체가 열평형을 형성하도록 단위 체적당 충분한 접촉 매체 표면적이 형성되는 것이 중요하다. 제 2 단계에서, 가스는 그 가스의 비습도가 변하지 않게 유지하는 소망 건구 온도로 가열되고, 여기에서 소망하는 비습도가 제 1 단계에서 형성되었기 때문에 소망하는 상대 습도가 형성된다. 소망하는 상대 습도와 건구 온도로부터, 상응하는 비습도와 포화 온도를 구할 수 있다. 포화 온도는 건구 온도로부터 독립적으로 액체의 온도를 조절함으로써 제어될 수 있다. 유사하게, 제 2 단계에서 가스의 온도를 제어하는 것은 제 1 단계에서 형성된 비습도에 영향을 미치지 않는다. 부품 번호의 서두 번호는 당해 부품을 도시하는 도면을 지시하는 반면에 후미 번호는 유사 부품을 지시한다. 따라서, 도 1과 도 2에 각각 도시된 접촉 매체(106, 206)는 동일 기능을 가진다.

도 2는 공기-물 시스템에 적합한 직접 접촉 냉각기-콘덴서[DCCC(200)]를 도시하고 있다. 이미 언급된 타워 패킹과 같이, DCCC(200)는 바람직하게 원통형 형상의 하우징과, 공기 입구(202)와, 하우징 하단부의 공기 분배 공간과, 상단부의 물입구(204) 및 스프링클러(208)와, 하단부에 인접한 물출구(212)를 갖는 저장소(210)와, 그 저장소 아래의 제거 출구(279)와, 저장소(210) 상단부의 보충 입구(278)와, 접촉 매체(206)를 포함한다. DCCC(200)의 하우징은 바람직하게 화학적으로 비활성이고, 탈기작용이 없거나, 작동시 초과 탄화 수소가 제한된다. 하나의 바람직한 실시예에서, DCCC(200)의 하우징의 내경은 304.8mm(12인치)이고 높이는 609.6mm(24인치)이다. 물라인(water line)은 바람직하게 직경이 12.7mm(1/2인치)의 테프론(Teflon) 배관과 같은 비활성 경질 재료이다. 저장소(210)의 내벽은 DCCC(200)의 외벽보다 직경이 더 커서, 타워로 균일한 공기 유동을 가능하게 하도록 DCCC(200)의 원주 주위로 입구(202)를 형성한다. 접촉 매체(206)는 높이가 457.2mm(18인치)인 타워 패킹이고 152.4mm(6인치) 이상의 개방 공간을 형성한다. 타워 패킹은 화학적으로 비활성이고, 탈기작용이 없으며, 과도한 액체 잔류(holdup) 또는 압력 강하를 방지하기 위해서 적합한 통로를 포함한다. 공기-물을 위한 적합한 타워 패킹은 브렌트우드 산업 회사(Brentwood Industries, Inc.)에 의해 제조된 타워 패킹 매체 CF650이며, 흑색 산화 구리 와이어 클로스(cloth), 산화피막처리 알루미늄 와이어의 클로스 또는 테프론 필라멘트(Teflon filament)이다.

만약 접촉 매체(206)가 타워 패킹이라면, 그 접촉 매체는 지지 스크린(비도시)에 의해 유지되거나 타워의 벽에 대한 타워 패킹의 마찰에 의해 적소에 유지된다. 바람직하게는, 높은 열전달률과 물질전달률을 위해 물과 공기 사이의 우수한 접촉을 형성하고 또한 병렬 유동이나 대향 유동의 단일 통과에서 열평형에 도달하기 위해 필요한 공기와 물의 밀착접촉을 야기시키도록, 타워 패킹은 충분한 단위 체적당 표면적을 구비한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 지지부(272)에 안착된 비부식성의 화학적으로 호환성을 가진 펌프(220)는 라인(212)을 통하여 저장소(210)로부터 물을 인출하고 라인(216)을 통하여 열교환기(214)로 물을 이동시킨다.

하나의 적합한 열교환기(214)는 2개의 구리판(copper plate) 사이에 삽입된 약 100개의 TEC[열전칩(thermal electric chip)]의 매트릭스(matrix)를 포함하므로, TEC면의 차가운 면은 동일 판에 접하고 TEC면의 뜨거운 면은 다른 판에 접한다. 뱀형상 패턴을 갖춘 구리 배관은 TEC의 차가운 표면과 접촉되는 구리판의 반대 표면에 납땜된다. DCCC(200)으로 전달된 물은 구리 배관을 통하여 순환된다. 뱀형상 패턴을 갖춘 다른 구리 배관은 TEC의 뜨거운 표면과 접촉되는 구리판의 반대 표면에 납땜된다. 분리된 물은 TEC로부터 열을 빼앗기 위해서 이 배관을 통하여 유동된다. 열교환기는 방해받지 않도록 소환경(mini-environment)으로부터 바람직하게 이격되어 있다. 적합한 TEC는 멜코 재료 전기 제품 회사(Melcor Materials Electronic Products Corp.)에 의해 제조된 부품 번호 CP 2.8-32-06L이다.

출구(218)에서 열교환기(214)로부터 배출되는 냉각된 물은 접촉 매체(206)에 물을 분배하는 스프링클러(208)로 라인(204)을 통하여 전달된다. 안개(mist) 또는 물입자를 발생시키지 않도록 접촉 매체(206)에 물을 유입시키는 것이 중요하다. DCCC(200)로부터 배출되는 공기에 어떠한 액체 상태의 물도 포함되지 않는 것이 또한 바람직하다. 공기는 그 물의 증기 상태에서만 물을 운반한다.

스프링클러(208)는 자유회전가능한 허브(hub)(250)에 부착된 스프링클러 암 (244, 246, 248)의 세트를 구비하고, 바람직하게는 접촉 매체(206)에 평행하고 25.4mm(1인치) 또는 더 근접하게 접촉 매체(206)에 근접하며, 가스 출구(207) 아래로 약 101.6mm(4인치) 또는 그 이상에 구성된다.

오리피스(399)의 상대적인 간격과 방향(도 3)은 공기 출구(261)에서 안개의 동반을 방지하도록 형성된다. 따라서, 공기는 출구(261)에서 포화상태로 배출되어 물입자가 동반되지 않는다.

도 2의 실시예에 대해 적합한 환경의 예는 다음 조건을 따르는 공기-물 시스템이다.

ㆍ주위 공기 온도: 18-25℃

ㆍ최대 온도 변화율: ±3℃/시간

ㆍ주위 상대 습도: 35-50% RH

ㆍ최대 상대 습도 변화율: ±5% RH/시간

ㆍ출력에서 최대 정압: 물 25.4mm(1인치)

ㆍ온도 조절 범위: 18-24℃±0.1℃

ㆍ상대 습도: 35% 내지 50% RH±0.5%

ㆍ최대 공기 용량: 150 CFM

도 3a는 DCCC의 원통형 타워에서 회전가능한 스프링클러(308)의 일실시예의 평면도이다. 도시된 바와 같이, 이 실시예에서, 허브(350)에 부착된 스프링클러 암 (344, 346, 348)은 서로로부터 120도 이격되어 구성되고, 암의 외측팁(outer tip)은 바람직하게는 예를 들어 타워벽(385)으로부터 3.175mm(1/8인치)로 근접해 구성된다. 이 구성은 암의 회전과 조합시 원통형 타워에서 타워 패킹에 액체의 균일한 분배를 향상시킨다(도 1-2). 하나 또는 그 이상과 같은, 예를 들어 교차 패턴으로 4개의 암인 스프링클러의 다른 배열과 수가 균일한 액체 분배를 달성하기에 또한 적합하다. 또한, 예를 들어 주표면이 접촉매체에 평행인 디스크와 같은 형상의 비회전 샤워 헤드와 같이 "스프링클러"가 반드시 회전할 필요는 없다.

도 3b는 도 3a의 선 A-A에서 취해진 스프링클러 암(344)의 단면도이다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 다음의 이유로 오리피스(399)는 아래 또는 측면이 아닌 그 사이의 아래쪽으로 각이 형성되어 있다. 만약 오리피스가 접촉 매체에서 수직 아래로 향한다면, 이는 출구 가스에서의 안개 동반을 감소시키지만, 스프링클러에 전혀 회전력 성분이 가해지지 않는다. 그러나, 만약 오리피스(399)가 도 3b, 도 3d 및 도 3e에 도시된 바와 같이 경사져 구성된다면, 안개 동반이 방지될 수 있고, 또한 허브에 대하여 방향설정된 반작용력의 성분이 스프링클러에 회전력을 가함으로써, 스프링클러는 별개의 모터가 필요없이 접촉 매체에 걸쳐 균일하게 액체를 분배시킨다.

도 3c는, 접촉 매체에 액체의 균일한 분배를 향상시키는 밀접하게 간격이 형성된 오리피스(399)를 나타내는, 도 3b의 선 B-B에서 취해진 스프링클러 암(344)의 단면도이다.

도 3d는 오리피스(399)의 방향과 간격을 도시하는 스프링클러 암(344)의 사시도이다. 바람직한 실시예에서, 스프링클러(308)는 예를 들어, 각각 3.175mm(1/8인치) 이격되고 직경이 1.27mm(0.050인치)인 다수의 밀접하게 간격이 형성된 오리피스(399)를 구비한다.

도 3e는 각 오리피스(399)에 대해 암(344)에 공통 통로를 포함하는 내측 구조를 보여주는 스프링클러 암(344)의 단면도이다.

도 2를 다시 참조하여, 출구(261)에서 배출되는 가스는 덕트(207)로 유입된다. 덕트(207)의 공기는 덕트(207)의 출구에 근접한 히터(238)로 이동된다. 히터(238)는 공기를 소망값으로 상승시킨다. 공기는 송풍기(236)로 유입되고, 덕트(207)를 떠나 디퓨저 박스(diffuser box)(265)로 유입되며, 그 디퓨저 박스는 필터(252)를 통하여 디퓨저 박스(267)로부터 배출되는 공기가 후드(255) 아래의 프로세스에 균일하게 분배되도록 경사진 벽(267)을 구비한다.

공기-물 시스템에 사용하기에 적합한 필터는, 요구된 효율을 갖춘 헤파(HEPA) 필터나, 0.12미크론보다 더 큰 미립자의 직경에 대해 99.9995% 이상의 효율을 구비한 ULPA(Ultra Low Penetration Air) 필터나, 다른 고효율 공기 필터를 포함한다.

제어 시스템의 목적은, 가스의 온도와 상대 습도를 사용자가 정의한 설정점, 프로세스에 의해 요구된 소망값으로 조절하는 것이고, 청정룸 또는 다른 공급원으로부터 가스의 온도 변화와 같은 시스템에 대한 외란을 조절하는 것이다.

제어 시스템이 이제 논의된다. 제 1 실시예에서, 아래 기술된 소프트웨어를 갖춘 IBM 호환 컴퓨터와 같은 컴퓨터(464)와 소프트웨어를 포함하는 내셔널 인스트루먼트(National Instruments)로부터의 AT-MIO-16DE-10과 같은 종래의 아날로그 디지탈(A/D) 변환기를 설치한 사용자가 키보드와 디스플레이 모니터에 의해 T 설정점과 RH 설정점에 대한 소망값을 입력한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 온도 센서(122, 144)는 가스의 T 포화와 T 건구를 측정하고, 컴퓨터(464)와 결합된 아날로그 디지탈(A/D) 변환기로 온도에 비례하는 출력 아날로그 피드백(feedback) 신호를 측정한다.

일실시예에서, 건구 온도와 상대 습도는 바이살라 회사(Vaisala, Inc.)로부터의 HMP233과 같은 조합형 온도 및 습도 센서(144, 130)로 히터(138)와 필터 (152) 후방에서 측정되었다. 이 조합형 센서(144, 130)는 바람직하게 필터(152) 출구의 약 152.4mm(6인치) 하류에 구성된다. 상대 습도 피드백 신호가 제어에 사용되지 않음에도 불구하고, 그 신호는 모니터링 목적을 위하여 컴퓨터(464)로 송신된다. 도 1에 도시된 가스의 T 포화는 가스-액체 접촉기(100) 내부에 구성된 온도 센서(122)에 의해 접촉기(100)를 이탈하는 포화 가스의 온도를 측정함으로써 간접적으로 결정된다. 하나의 적합한 온도 센서는 와트로우 고던(Watlow Gordon)으로부터의 스타일(Style) RB와 같은 저항성-온도-장치(resistive-temperature-device)(RTD)이다.

도 4는 본 발명에 사용하기에 적합한 제어 시스템의 제 1 실시예를 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예에서 제어시스템은 2개의 피드백 루프(466, 468)로 구성되는 알고리즘과 피드포워드(feedforward) 요소(462)를 포함하고, 그 피드포워드 요소는 T 설정점과 RH 설정점을 비교기(460)로 보내진 상응하는 포화 온도 설정점(470)으로 변환시킨다. 비교기(460)는 설정점(470)과 피드백 신호(468) 사이의 차이를 취하고, 비례-적분-미분(proportional-integral-derivative)(PID) 보상기(compensator)(456)로 에러 신호를 출력하며, 그 비례-적분-미분 보상기는 냉각기의 냉각율을 조절하기 위해 냉각기(414)로 명령 신호를 출력한다. 알려진 바와 같이, PID는 에러 신호를 취한다. 즉, (1)그 에러 신호에 제 1 상수를 곱하고, (2)에러 신호를 적분하여 제 2 상수를 곱하며, (3)에러 신호의 도함수를 취하여 제 3 상수를 곱하고, (1), (2) 및 (3)을 합산하며, 이는 광범위한 조건에 걸쳐서 정확하고 대응적인 제어를 제공한다. 웨버(Weber)의 “프로세스 동력학 및 제어에 대한 입문(An Introduction to Process Dynamics and Control)”(1973)은 더욱 상세하게 PID 제어기를 개시하고 있고, 본 명세서에 참고문헌으로 포함된다.

유사하게, 비교기(458)는 T 설정점과 피드백 신호(466) 사이의 차이를 취하고, PID 보상기(454)로 에러 신호를 출력하며, 그 PID 보상기는 히터의 가열률을 조절하기 위해서 히터(438)로 명령 신호를 출력한다.

일실시예에서, 포화 온도 설정점(470)으로의 변환은 실험식 "스팀 테이블(steam table)"의 사용에 의해 이루어지고, 그 스팀 테이블은 1984년 아카데믹 프레스(Academic Press)에서 발간된 어빈과 릴리(Irvine Liley)의 “컴퓨터 방정식이 구비된 스팀 및 가스 테이블(Steam and Gas Tables with Computer Equations)”과 같은 문헌에 개시되어 있으며, 그 문헌은 본 명세서에 참고문헌으로 포함된다. 2개의 피드백 루프(466, 468)는 출구 가스의 T 건구와 T 포화를 조절하고, 반면에 피드포워드(462)는 T 건구와 T 포화가 사용자에 의해 정의된 소망 상대 습도 RH 설정점을 형성하도록 한다.

C언어로 기록된 실시간 제어 소프트웨어에 대한 하나의 실시예는 아래 나열하는 프로그램에 나타나 있다. 소프트웨어는 6개의 작업을 실행하는 협력형 멀티태스킹 스케쥴러(cooperative multitasking scheduler)를 포함한다. 협력형 멀티태스킹 환경에서, 스케쥴러는 각 작업에 처리 시간이 주어지도록 각 작업에 CPU의 사용을 할당시키고 작업의 완료 후 스케쥴러로 제어가 귀환된다. 각 작업은 단시간에 실행되는 상태로 분할되어, 단일 작업이 CPU를 독점하지 않으며, 작업은 동시에 수행되는 것으로 보여진다. 소프트웨어 개발자는, 모든 요구된 하드웨어 및 소프트웨어가 컴팩트 패키지에 포함되기 때문에, PC로부터 마이크로칩 기술 회사(Microchip Technology, Inc.)에 의한 마이크로칩 PIC17C756과 같은 향상된 마이크로제어기로 이동하는 것을 간단히 촉진시킨다.

도 5a-5f는 본 발명을 실현하는 소프트웨어의 하나의 실시예에 의해 수행된 상태 변이 논리(state transition logic)에서 6개의 작업을 나타낸다.

ㆍ작업 0은, T 설정점과 RH 설정점으로 들어가고 컴퓨터 모니터에 T 건구, RH와 T 포화를 표시하며 사용자가 컴퓨터의 이스케이프키(escape key)를 누르면 스케쥴러가 닫히는 것을 허용하기 위한, 간단한 사용자 인터페이스를 유지한다. 이는 냉각기(414)와 히터(438)를 끄고 제어 소프트웨어를 빠져나오도록 한다.

ㆍ작업 1은 초기 제어 전에 센서(144, 130)와의 소통을 이루는 것을 포함하는 시스템을 초기화하기 위해서 대기 상태(507)를 포함한다. 시스템이 초기화(509)된 후에, 작업 1은 제어 상태(511)로 이동하고, 여기에서 작업 1은 피드포워드(462)와 피드백 루프(466, 468)를 포함하는 도 4에 관해 기술된 알고리즘을 실행한다.

ㆍ작업 2는 대기 상태(507)와 동일한 이유로 대기 상태(513)를 또한 포함한다. 이 실시예에서, 온도 및 습도 센서(144, 130)가 시리얼 데이타를 발생시켜, 작업 2는 시리얼 데이타와 센서(122)의 아날로그 신호를 획득하여야 한다. 바람직한 실시예는 단지 아날로그 센서만을 사용하는데, 그 이유는 그 아날로그 센서가 더 신속한 센서 반응을 제공하고 작업 2에 필요한 코드(code)를 단순화시키기 때문이다.

ㆍ작업 3과 작업 4는 도 4에 도시된 히터 PID(454)와 냉각기 PID(456)로부터의 출력을 펄스폭 변조(pulse-width-modulated)(PWM) 신호로 변환시킨다. 호로비츠와 힐(Horowitz Hill)의 “전자공학 기술(The Art of Electronics)”(1989)은 PWM 신호를 기술하고 있고 참고문헌으로 포함된다. PWM 신호는 컨티넨탈 산업 회사(Continental Industries, Inc.)로부터 쉽게 이용가능한 것 또는 어떤 적합한 동력 스위칭 장치로부터 선택된 히터(438)와 냉각기(414)에 대한 적합한 종래의 고체 상태 릴레이(relay)에 의해 히터(438)와 냉각기(414)가 컴퓨터(464)로 인터페이스 하도록 한다. 히터와 냉각기에 대한 고체 상태 릴레이의 선택시 고려사항은 AC 대 DC, 최대 전압, 최대 전류 및 스위칭 속도이다. PWM 신호는 소프트웨어에서 발생되었지만, 더욱 적절한 방법은 빌트인(built-in) PWM 하드웨어와 함께 마이크로제어기를 이용하는 것이다.

ㆍ작업 5는 사용자가 컴퓨터(464)에서 데이타, T 건구, RH와 T 포화의 로깅 (logging)이 가능하도록 적당한 키를 누를 때까지 대기 상태(541)를 포함한다. 일단 로깅이 가능하면, 작업 5는 컴퓨터 하드 디스크에 데이타를 기록하는 상태(545)로 이동한다. 다른 키 누름은 로깅을 불가능하게 하고 작업 5는 대기 상태로 복귀된다. 제어가 PC에서 실행되든 마이크로제어기에서 실행되든, 작업 5를 구비할 필요는 없다.

도 6은 본 발명에 사용하기에 적합한 제어 시스템의 제 2 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 시스템은 2개의 독립적인 피드백 루프(666, 668)로 T 건구와 RH를 제어한다. 제어기(668, 670)는 비교기(658, 660), PID(654, 656)의 보상과 히터(638) 및 냉각기(614)를 구동하는 PWM 신호를 실행한다. 하니웰(Honeywell) IAC 디비젼(Division)은 UDC 1000 제어기와 같은 적합한 단일 루프 제어기를 제조하고 있다. 이 제어 시스템은 온도 및 상대 습도의 결합을 위하여 보상하지 않기 때문에, 안전성이 감소되려는 경향이 있다. 제 2 실시예의 장점은 상업적으로 이용가능한 부품을 사용하여 쉽게 구성될 수 있다는 점이다.

제 1 실시예에서 기술된 동일한 형태의 온도/습도 센서가 사용될 수 있다. 제어기(668, 670)는 설정점을 정하고 온도 및 습도 센서를 판독하는 단순한 기능을 포함한다. T 포화 온도는 사용되지 않아 측정할 필요가 없다. 제어기(668, 670)의 출력은 제 1 실시예에 기술된 바와 같이 히터(638) 및 냉각기(614)와 인터페이스하는 PWM 신호이다.

습공기선도(psychrometric chart)인 도 7은 가습을 나타내고 공기의 건구 온도(가로좌표) 대 비습도(세로좌표) 및 상대 습도(%)에 관한 것이다. 도 2와 도 7에 도시된 바와 같이, DCCC(200)의 입구(202)로 유입되는 공기는 17℃의 초기 건구 온도에서 30%의 상대 습도를 가진다. 이는 도 7에 점 A로 도시되어 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 공기는 DCCC(200)를 통하여 이동되며, 현열(sensible heat)을 잃게 되고, 공기가 완전히 포화될 때까지 공기와 접촉되는 물로부터 증기를 얻는다. 공기는 T 포화로 출구(207)에서 DCCC(200)로부터 배출된다. 이는 도 7에 점 B로 도시되어 있다. A 부터 B까지의 파형 점선은 실제 온도-습도 경로가 알려지지 않음을 나타내고, 공기가 T 포화에서, 즉 점 B에서 DCCC(200)의 출구(207)로부터 배출되는 동안은 필요하지 않음을 나타낸다. 그 다음에, 히터(238)는 DCCC(200)로부터의 출구 공기를 도 7에 점 C로 도시된 소망 건구 온도 T 건구와 상대 습도 RH로 가열하며, 이는 도 4의 제어 다이어그램에 도시된 T 건구와 T 포화에 상응한다.

습공기선도인 도 8은 본 발명의 시스템에서 공기의 건조를 나타낸다. 도 2와 도 8에 도시된 바와 같이, DCCC(200)의 입구(202)로 유입되는 공기는 26℃의 건구 온도에서 50%의 상대 습도를 가진다. 이는 도 8에 점 X로 도시되어 있다. 이전에 언급된 바와 같이, 입구 공기는 DCCC(200)을 통하여 이동되며, 현열을 잃게 되고, 공기가 완전히 포화될 때까지 공기와 접촉되는 물로부터 증기를 얻는다. 공기는 T 포화인 온도로 출구(207)에서 DCCC(200)로부터 배출된다. 이는 도 8에 점 Y로 도시되어 있다. X 부터 Y까지의 파형 점선은 실제 온도-습도 경로가 알려지지 않음을 나타내고, 공기가 T 포화에서, 즉 점 B에서 출구(207)로부터 배출되는 동안은 필요하지 않음을 나타낸다. 그 다음에, 도 1에 도시된 히터(238)는 DCCC(200)로부터의 출구 공기를 도 8에 점 Z로서 도시된 소망 건구 온도 T 건구와 상대 습도 RH로 가열한다. 점 Z는 도 4에 도시된 T 건구와 T 포화에 또한 상응함을 알 수 있다.

도 9는 도 2에 도시된 실시예에서 공기의 온도로부터 상대 습도를 분리한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 사용자는 RH 설정점과 T 설정점을 한정하고(도 4와 도 6 참고), 24±0.1℃에서 45%±0.5%의 상대 습도로 공기의 허용한계를 한정한다. t=0에서 전달된 공기의 실제 온도인 T 건구가 사용자의 요구를 충족함에도 불구하고, 공기의 실제 상대 습도 RH는 46%이며, 따라서 요구를 충족시키지 못한다. 그러나, 약 10분 이하의 제어 후에, 시스템은 공기의 상대습도 RH를 사용자에 의해 한정된 허용한계내에 형성시키게 된다. 도 9에 도시된 공기의 온도-습도 경로는 도 5에 도시된 소프트웨어 컴퓨터 또는 마이크로제어기의 작업 5의 실행에 의해 얻어진 로그된(logged) 데이타이다.

다음은 C언어로 기록된 소프트웨어 소스 코드의 프로그램 리스팅이다.

Claims

가스-액체 접촉 시스템에 있어서,

접촉 매체를 갖는 하우징과, 가스 입구 및 가스 출구와, 액체 입구 및 액체 출구를 포함하며, 액체 입구는 접촉 매체 위에서 액체를 유입하고 가스 입구는 접촉 매체 아래에서 가스를 유입하며 액체와 가스는 가스가 포화 상태에서 가스 출구를 통하여 배출되도록 접촉 매체를 통해 유동되는, 접촉기와;

히터와;

냉각기와;

가스 출구를 히터에 연결하는 가스 출구 라인과;

액체 출구를 냉각기에 연결하며, 액체가 액체 입구, 접촉기, 액체 출구와 냉각기를 통하여 폐루프에서 유동하게 되는, 액체 출구 라인과;

가스 출구 라인과 히터의 상류와 결합된 제 1 가스 온도 센서와;

가스 출구 라인과 히터의 하류와 결합된 제 2 가스 온도 센서와;

제 1 가스 온도 센서 및 제 2 가스 온도 센서와 히터에 결합되며, 소망 온도 및 상대 습도로 가스를 배출하도록 히터를 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 시스템.
제1항에 있어서,

접촉 매체에 균일하게 액체를 분배하기 위한 접촉 매체 위의 스프링클러와, 스프링클러에 액체를 공급하도록 냉각기와 스프링클러 사이에 구성된 펌프와, 가스 입구로 가스를 공급하는 가스 송풍기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 시스템.
제2항에 있어서,

하우징은 원통형의 형상이고, 스프링클러는 접촉 매체의 상단부에 대한 평행부와 접촉 매체의 상단부에 대한 대향부 사이를 향하는 다수의 오리피스가 암을 따라 구비된 적어도 하나의 암을 포함하며, 스프링클러는 오리피스로부터의 액체 분배로 인해 암에 대하여 가해지는 반작용력으로 인하여 자체 회전하는 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 시스템.
제1항에 있어서,

저장소로 액체를 유입하는 보충 입구 라인 및 저장소로부터 액체를 제거하는 제거 출구 라인을 갖는 저장소와, 액체의 레벨이 낮을 때마다 저장소로 보충 입구를 통하여 추가 액체를 공급하도록 액체 공급 수단으로 신호를 발생시키는 저센서와, 액체의 레벨이 너무 높을 때마다 저장소로부터 제거 입구를 통하여 액체를 제거하도록 신호를 발생시키는 고센서를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 시스템.
제1항에 있어서,

액체의 순도 요구를 유지하고 냉각기가 소망 온도에서 액체를 유지할 수 있도록, 제어기는 주기적인 시간에 공급 수단으로부터 새로운 액체를 유입하기 위해서 액체 공급 수단에 신호를 보내는 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

접촉 매체는 타워 패킹인 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 시스템.
공기의 온도, 상대 습도 및 청정도를 제어하는 시스템에 있어서,

접촉 매체를 갖는 하우징과, 공기 입구 및 공기 출구와, 물입구 및 물출구를 포함하며, 물입구는 접촉 매체 위에서 물을 유입하고 공기 입구는 접촉 매체 아래에서 공기를 유입하며 물과 공기는 공기가 포화 상태에서 공기 출구를 통하여 배출되도록 접촉 매체를 통하여 유동되는, 공기-물 접촉기와;

히터와;

냉각기와;

공기 출구와 히터로부터의 하류와 결합되는필터와;

공기 출구를 히터에 연결하는 공기 출구 라인과;

물출구를 냉각기에 연결하며, 물이 접촉기와 냉각기를 통하여 폐루프에서 유동하게 되는, 물출구 라인과;

공기 출구 라인과 히터로부터의 상류와 결합된 제 1 공기 온도 센서와;

공기 출구 라인과 히터로부터의 하류와 결합된 제 2 공기 온도 센서와;

제 1 공기 온도 센서 및 제 2 공기 온도 센서와 히터와 냉각기에 결합되며, 소망 온도 및 상대 습도로 공기를 배출하도록 히터와 냉각기를 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제7항에 있어서,

접촉 매체에 균일하게 물을 분배하기 위한 접촉 매체 위의 스프링클러와, 스프링클러에 물을 공급하도록 냉각기로부터의 상류에 구성된 펌프와, 히터와 냉각기사이에 구성된 공기 송풍기를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제8항에 있어서,

하우징은 원통형의 형상이고, 스프링클러는 접촉 매체의 상단부에 대한 평행부와 접촉 매체의 상단부에 대한 대향부 사이를 향하는 다수의 오리피스가 암을 따라 구비된 적어도 하나의 암을 포함하며, 스프링클러는 오리피스로부터의 물분배로 인해 암에 대하여 가해지는 반작용력으로 인하여 자체 회전하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제7항에 있어서,

저장소로 물을 유입하는 보충 입구 라인 및 저장소로부터 물을 제거하는 제거 출구 라인을 갖는 저장소와, 물의 레벨이 낮을 때마다 저장소로 보충 입구를 통하여 추가 물을 공급하도록 물공급 수단으로 신호를 발생시키는 저센서와, 물의 레벨이 너무 높을 때마다 저장소로부터 제거 입구를 통하여 물을 제거하도록 신호를 발생시키는 고센서를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
제7항에 있어서,

물의 순도 요구를 유지하고 냉각기가 소망 온도에서 물을 유지할 수 있도록, 제어기는 주기적인 시간에 공급 수단으로부터 새로운 물을 유입하기 위해서 물공급 수단에 신호를 보내는 것을 특징으로 하는 시스템.
제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

접촉 매체는 타워 패킹인 것을 특징으로 하는 시스템.
가스-액체 접촉기, 접촉기에 연결된 가스히터와 접촉기에 연결된 액체 냉각기를 포함하는, 시스템으로부터 소망 온도와 상대 습도로 가스를 획득하는데 적용되는 제어기에 있어서,

온도 설정점 및 상대 습도 설정점에 대한 입력 수단과, 제 1 보상기와, 제 2 보상기와, 온도 설정점 및 상대 습도 설정점의 입력을 취하고 제 2 보상기로 출력을 발생시키는 트랜스포머를 포함하며, 제 1 보상기 출력과 제 2 보상기 출력이 온도 설정점 및 상대 습도 설정점의 소망 허용한계에서 접촉기로부터 가스를 획득하기 위해 히터와 냉각기를 제어하게 되는, 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
제13항에 있어서,

컴퓨터는 제 1 PWM 신호 변환기를 또한 포함하고, 제 1 보상기는 제 1 출력 신호를 발생시키는 제 1 PID이며, 제 1 PWM 신호 변환기는 히터의 가열률을 조절하기 위해서 제 1 PID 출력 신호를 제 1 명령 신호로 변환시키는 것을 특징으로 하는 제어기.
제13항에 있어서,

컴퓨터는 제 2 PWM 신호 변환기를 또한 포함하고, 제 2 보상기는 제 2 출력 신호를 발생시키는 제 2 PID이며, 제 2 PWM 신호 변환기는 냉각기의 냉각률을 조절하기 위해서 제 2 PID 출력 신호를 제 2 명령 신호로 변환시키는 것을 특징으로 하는 제어기.
제13항에 있어서,

트랜스포머는 온도 설정점과 상대 습도 설정점으로부터 포화 온도 설정점을 발생시키고, 컴퓨터는 온도 설정점과 건구 온도를 비교하는 온도 건구 피드백 루프와, 포화 온도 설정점과 포화된 온도를 비교하는 온도 포화 피드백 루프를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
제13항에 있어서,

컴퓨터는 협력형 멀티태스킹 스케쥴러를 포함하고, 스케쥴러는 각 작업에 처리 시간이 주어지도록 컴퓨터의 CPU에서 작업이 실행될 때 할당시키며, 작업의 완료 후 스케쥴러로 제어가 귀환되는 것을 특징으로 하는 제어기.
제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

가스는 공기이고 액체는 물인 것을 특징으로 하는 제어기.
국소 환경으로 전달되는 공기의 질을 제어하는 방법에 있어서,

온도 설정점과 상대 습도 설정점에 대한 입력을 제공하는 단계와;

물입구 및 출구와 공기 입구 및 출구를 포함하는 접촉기를 통하여 물을 순환시키는 단계와;

접촉기를 통하여 공기를 순환시키며, 접촉기의 공기가 접촉기의 물과 밀착접촉되며 공기가 공기 출구에서 포화되는, 단계와;

국소 환경으로 전달되는 공기의 건구 온도와 포화된 출구 공기의 온도를 측정하는 단계와;

공기의 건구 온도를 온도 설정점과 비교하고 상응하는 제 1 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서,

온도 설정점과 상대 습도 설정점을 포화 온도 설정점으로 변환시키는 단계와;

포화 온도 설정점을 포화된 출구 공기 온도와 비교하고 상응하는 제 2 신호를 발생시키는 단계와;

국소 환경으로 전달된 공기가 온도 설정점과 상대 습도 설정점의 값에 형성되는 온도로 순환하는 물을 형성하도록, 제 2 신호에 따라 냉각기를 조절하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서,

국소 환경으로 전달된 공기가 온도 설정점과 상대 습도 설정점의 값에 형성되도록 제 1 신호에 따라 히터를 조절하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제20항에 있어서,

제 1 PID 보상기에 의해 제 1 신호를 제 1 명령 신호로 변환시키고 또한 히터에 동력을 공급하기 위해 제 1 명령 신호를 제 1 펄스폭 변조 형식으로 변환시키는 것을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제19항에 있어서,

제 2 PID 보상기에 의해 제 2 신호를 제 2 명령 신호로 변환시키고 또한 냉각기에 동력을 공급하기 위해 제 2 명령 신호를 제 2 펄스폭 변조 형식으로 변환시키는 것을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.