KR100671242B1 - 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용온도제어장치 - Google Patents
히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용온도제어장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 히터 대신 히트펌프 구조를 이용하여 반도체 웨이퍼 제조공정설비인 공정챔버의 온도를 설정온도로 유지하는데 있어서 에너지 효율 및 전기적인 안정성을 향상시키는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치에 관한 것으로서,
본 발명을 적용하면, 에너지 효율을 향상할 수 있게 되고, 전력소비량의 감소에 따른 에너지 사용량을 획기적으로 줄일 수 있게 되며, 히트펌프 구조를 이용함으로써 가열(Heating) 능력을 향상시킬 수 있게 되며, 히터를 제거함으로써 전기적인 위험성을 크게 줄일 수 있게 되며, 장비의 투자 비용과 전기적인 부대설비가 절약될 수 있게 되며, 장비의 부품이 간소화되고 국제시장에서의 기술 경쟁력을 확보할 수 있게 되는 효과가 있다.
Description
도 1은 종래의 히터를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치의 구성을 나타내는 도면
도 2는 본 발명의 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어 장치의 개략적인 구성를 나타내는 도면
도 3은 본 발명의 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치의 냉각운전시 구성 상호간 연결상태를 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치의 가열운전시 구성 상호간 연결상태를 나타내는 도면
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 압축기(Compressor) 20 : 사방 밸브(4-way valve)
30 : 응축기(Condenser) 40 : 수액기(Reservoir)
50 : 전자식 팽창밸브(Electric expansion valve)
60 : 증발기(Evaporator) 70 : 펌프(Pump)
80 : 공정 챔버(Process chamber) 90 : 보조 응축기(Auxiliary condenser)
본 발명은 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기존의 히터 대신 히트펌프 구조를 이용하여 반도체 웨이퍼 제조공정설비인 공정챔버의 온도를 설정온도로 유지하는데 있어서 에너지 효율 및 전기적인 안정성을 향상시키는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치에 관한 것이다.
기존의 반도체용 온도제어장치(이하 칠러라고 칭함)는 2차 냉매인 브라인의 온도를 제어하여 -20℃ 이하의 저온과 80℃ 까지의 고온영역의 온도에 범위에서 공정챔버의 온도를 조절하였다.
이때, 브라인의 온도를 상승시키기 위하여 히터를 사용하고, 온도제어를 위해서는 히터의 ON/OFF 출력을 제어하였다.
그런데, 히터의 에너지 효율(COP)은 1 이기 때문에 상당히 낮은 편이다. 이는 냉동기 시스템의 경우 에너지 효율은 보통 3~4정도인 것에 비하면 히터의 에너지 효율이 냉동기 시스템 자체의 에너지 효율보다 3~4배 정도 낮은 결과가 된다.
도면번호 도 1을 이용하여 종래의 히터를 이용한 반도체용 온도제어장치의 구성을 상세하게 설명하면, 압축기(1)에서 토출한 고온고압의 냉매가스는 응축기(2)에서 응축되어 고압의 냉매액으로 상변화한다. 응축된 냉매액은 고압탱크인 수액기(3)에 저장되고, 수액기를 나온 냉매액은 열팽창밸브(4)를 거치면서 저온저압의 포화냉매 상태로 변한다. 저온저압의 포화냉매는 증발기(5)에서 브라인과 열교환하여 증발하고, 상기 압축기(1)로 흡입된다.
이때, 상기 증발기(5)에서 냉각된 브라인은 히터(7)에 의해 원하는 설정온도로 제어되고 운송매체인 펌프(6)에 의해 공정챔버(8)의 내부로 이송되어 온도를 제어하게 된다.
이와같이, 기존의 칠러는 히터의 ON/OFF 출력을 이용하여 브라인의 설정온도를 제어하는 방식으로 브라인의 온도를 상승시키기 위해서는 장시간동안 히터의 출력을 ON 상태로 유지시켜야만 하였다.
따라서, 2차 냉매의 온도를 상승시키기 위해서는 많은 전력량이 소모되고, 히터로 인한 전기적인 위험성도 내포하게 되는 문제점이 있다.
또한, 고전력 소비에 따른 전기적인 제반시설도 병행하여야 하기 때문에 시설투자비, 장비투자비용이 증가하게 되는 문제점이 있다.
따라서, 히터 사용으로 인한 전력소비량을 줄이고 전기적 안전성도 확보할 수 있는 방안이 절실히 필요하다.
에너지 효율이 높고 상기 히터를 이용한 반도체용 온도제어장치를 대신할 수 있는 것으로는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치가 있 다.
그러나, 상기 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치는 활용할 수 있는 온도의 범위가 좁다.
특히, 50 ℃이상의 고온으로 2차 냉매인 브라인을 제어하고자 할 때, 증발기에서 냉매가스의 응축이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 종래 반도체용 온도제어장치에서 에너지 효율이 낮은 히터를 제거하고 히트펌프 구조를 이용함으로써 에너지 효율을 향상시키고 보조 응축기를 추가함으로서 고온에서도 공정챔버의 온도를 안정하게 제어할 수 있는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 히트펌프 구조를 이용함으로써 가열(Heating) 능력을 향상시키도록 하는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 히터를 제거함으로써 전기적인 위험성을 크게 줄일 수 있는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치를 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따르면, 냉각운전시 고온고압의 냉매가스를 토출하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되어 냉매가스를 냉매 액으로 상변환시키는 응축기와, 상기 응축기와 연결되어 냉매액을 저장하는 수액기와, 상기 수액기에 연결되어 냉매액을 포화상태의 냉매로 상변환시켜 공급하는 전자식 팽창밸브와, 상기 전자식 팽창밸브에 연결되어 상기 전자식 팽창밸브로부터 공급되는 포화상태의 냉매로 브라인을 냉각시키는 증발기와, 냉각된 브라인을 공정챔버 내부로 이송하는 펌프와, 상기 압축기, 응축기 및 증발기 사이에 설치되어 냉매가스의 경로를 조절하는 사방밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치를 제공한다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징 따르면, 상기 전자식 팽창밸브는 포화상태인 냉매의 공급량을 브라인 냉각에 필요한 소정의 양으로 조절하는 것이 바람직하다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2 특징에 따르면, 가열운전시 고온고압의 냉매가스를 토출하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되어 냉매가스로 브라인을 가열시키는 증발기와, 가열된 브라인을 챔버 내부로 이송하는 펌프와, 상기 증발기에 연결되어 상기 증발기의 냉매가스를 응축시키는 보조 응축기와, 상기 보조 응축기에 연결되어 응축된 냉매액을 저장하는 수액기와, 상기 수액기에 연결되어 상기 수액기의 냉매액을 공급하는 전자식 팽창밸브와, 상기 전자식 팽창밸브에 연결되어 상기 전자식 팽창밸브로부터 공급되는 냉매액을 냉매가스로 상변환시키는 응축기와, 상기 압축기, 응축기 및 증발기 사이에 설치되어 냉매가스의 경로를 조절하는 사방밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치를 제공한다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징 따르면, 상기 보조 응축기는 50℃ 이상의 고 온영역에서 냉매가스를 응축하는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징 따르면, 상기 고온영역은 50 - 90℃인 것이 바람직하다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
첨부도면 도 2는 본 발명의 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어 장치의 개략적인 구성를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치의 냉각운전시 구성 상호간 연결상태를 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치의 가열운전시 구성 상호간 연결상태를 나타내는 도면이다.
상기 첨부도면 도 2를 참조하면, 도면번호 10은 압축기를 나타내고, 20은 사방밸브를 나타내며, 30은 응축기를 나타태며, 40은 수액기를 나타내며, 50은 전자식 팽창밸브를 나타내며, 60은 증발기를 나타내며, 70은 펌프를 나타내며, 80은 공정챔버를 나타내며, 90은 보조 응축기를 나타낸다.
먼저, 상기 도 3을 이용하여 상기 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어 장치가 냉각운전모드에서 작동할 때를 상세히 설명한다.
상기 압축기(Compressor)(10)는 고온고압의 냉매가스를 토출한다.
그뒤, 상기 사방 밸브(4-way valve)(20)는 상기 압축기(10)의 고온고압의 냉매가스를 상기 응축기(Condenser)(30)으로 흘러가도록 유도한다.
계속해서, 상기 응축기(30)는 고온고압의 냉매가스를 응축시켜 고온고압의 냉매가스로 상변환시킨다.
그뒤, 상기 수액기(Reservoir)(40)는 상기 응축기(30)의 냉매액을 저장하는 역할을 한다. 상기 전자식 팽창밸브(Electric expansion valve)(50)는 상기 수액기(40)에 저장된 냉매액을 통과시켜 저온저압의 포화상태인 냉매로 상변환시킨다.
계속해서, 상기 저온저압으로 냉각된 포화냉매는 상기 증발기(Evaporator)(60)를 통과하면서 상기 공정챔버(Process chamber)(80)의 온도를 제어하기 위한 2차 냉매인 브라인과 열교환하게 된다.
즉, 상기 브라인은 냉매의 증발잠열에 의하여 냉각된다.
이때, 상기 브라인의 적정한 온도제어를 위하여 상기 전자식 팽창밸브(50)는 공급되는 냉매량을 적절히 조절한다.
계속해서, 상기 펌프(Pump)(70)는 상기 냉각된 브라인을 상기 공정챔버(80)의 내부로 운송하여 상기 공정챔버(80)의 온도를 조절한다.
그와 동시에, 상기 증발기(60)에서 열교환후 생성된 냉매가스는 상기 사방밸브(20)를 통하여 상기 압축기(10)으로 흡입된다.
상기 도 4를 이용하여 상기 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어 장치가 가열운전모드에서 작동할 때를 상세히 설명한다.
상기 압축기(10)는 고온고압의 냉매가스를 토출한다.
그뒤, 상기 사방밸브(20)는 상기 압축기의 고온고압의 냉매가스를 상기 증발기(60)로 흐르도록 유도한다.
계속해서, 상기 증발기(60)는 유입된 고온고압의 냉매가스를 이용하여 상기 브라인을 가열(Heating)시킨다.
이때, 가열된 브라인의 온도 범위가 50℃이하라면, 상기 고온고압의 냉매가스는 상기 브라인과 열교환후 자연적으로 응축된다.
하지만, 가열된 브라인의 온도 범위가 50℃ 이상 90℃인 경우에는 냉매가스가 상기 증발기(60)에서 자연적으로 응축되지 않는다.
여기서, 상기 보조 응축기(Auxiliary Condenser)(90)은 상기 50℃ 이상 90℃인 고온범위에서도 상기 증발기(60)의 냉매가스를 안정적으로 응축시켜 냉매액으로 상변환시키게 된다.
상기 펌프(Pump)(70)는 상기 가열된 브라인을 상기 공정챔버(80)의 내부로 운송하여 상기 공정챔버(80)의 온도를 설정온도로 조절한다.
계속해서, 상기 수액기(40)는 상기 보조 응축기(90)의 냉매액을 저장한다.
그뒤, 상기 전자식 팽창밸브(50)는 상기 수액기(40)의 냉매액을 상기 응축기(30)로 흐르도록 유도한다.
그뒤, 상기 응축기(30)으로 유입된 냉매액은 소정의 냉각수와 열교환하게 된 다. 따라서, 상기 유입된 냉매액은 상기 냉각수와의 열교환으로 인하여 증발하여 냉매가스로 상변환한다.
계속해서, 상기 사방밸브(20)은 상변환된 냉매가스를 상기 압축기로 흡입되도록 유도한다.
결과적으로, 본 발명에 의한 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어 장치가 가열운전모드에서 작동할 때는 상기 증발기(60)가 냉각운전모드에서의 응축기(30)와 같은 역할을 하고 상기 응축기(30)는 냉각운전모드에서의 증발기(60)와 같은 역할을 하게 된다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어 장치를 적용하면, 에너지 효율을 향상할 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 그에 따라, 전력소비량의 감소에 따른 에너지 사용량을 획기적으로 줄일 수 있게 되는 효과가 있다.
히트펌프 구조를 이용함으로써 가열(Heating) 능력을 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있다.
히터를 제거함으로써 전기적인 위험성을 크게 줄일 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 그에 따라, 장비의 투자 비용과 전기적인 부대설비가 절약될 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 그에 따라, 장비의 부품이 간소화되고 국제시장에서의 기술 경쟁력을 확보할 수 있게 되는 효과가 있다.
보조 응축기를 사용함으로써 공정챔버의 공정온도를 고온까지 확대할 수 있게 되는 효과가 있다.
Claims (5)
- 냉각운전시 고온고압의 냉매가스를 토출하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되어 냉매가스를 냉매액으로 상변환시키는 응축기와, 상기 응축기와 연결되어 냉매액을 저장하는 수액기와, 상기 수액기에 연결되어 냉매액을 포화상태의 냉매로 상변환시켜 공급하는 전자식 팽창밸브와, 상기 전자식 팽창밸브에 연결되어 상기 전자식 팽창밸브로부터 공급되는 포화상태의 냉매로 브라인을 냉각시키는 증발기와, 냉각된 브라인을 공정챔버 내부로 이송하는 펌프와, 상기 압축기, 응축기 및 증발기 사이에 설치되어 냉매가스의 경로를 조절하는 사방밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치.
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- 가열운전시 고온고압의 냉매가스를 토출하는 압축기와, 상기 압축기에 연결되어 냉매가스로 브라인을 가열시키는 증발기와, 가열된 브라인을 챔버 내부로 이송하는 펌프와, 상기 증발기에 연결되어 상기 증발기의 냉매가스를 응축시키는 보조 응축기와, 상기 보조 응축기에 연결되어 응축된 냉매액을 저장하는 수액기와, 상기 수액기에 연결되어 상기 수액기의 냉매액을 공급하는 전자식 팽창밸브와, 상기 전자식 팽창밸브에 연결되어 상기 전자식 팽창밸브로부터 공급되는 냉매액을 냉매가스로 상변환시키는 응축기와, 상기 압축기, 응축기 및 증발기 사이에 설치되어 냉매가스의 경로를 조절하는 사방밸브를 포함하여 구성된 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치에 있어서,상기 보조 응축기는 50℃ 이상의 고온영역에서 냉매가스를 응축하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치.
- 제 4 항에 있어서,상기 고온영역은 50 - 90℃인 것을 특징으로 하는 히트펌프 구조를 이용한 에너지 절전형 반도체용 온도제어장치.
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