KR100788269B1 - 냉각장치 - Google Patents

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신광훈
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Abstract

본 발명은 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 냉각제가 수용되는 고온탱크와 저온 냉각제가 수용되는 저온탱크를 구비함으로써 열교환기에서 냉각수를 끓는점 이하로 유지시킬 수 있는 냉각장치에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 냉각장치는 고온 냉각제를 수용하는 고온탱크와, 저온 냉각제를 수용하는 저온탱크와, 상기 저온 냉각제와 상기 고온 냉각제를 열교환시키는 제1열교환기와, 상기 저온 냉각제와 냉각수를 열교환시키는 제2열교환기와, 상기 고온탱크에 수용된 고온 냉각제가 대상 장비와, 상기 제1열교환기를 경유하여 상기 고온탱크로 유입되도록 연결된 고온 냉각제순환배관과, 상기 저온탱크에 수용된 저온 냉각제가 상기 제1열교환기와, 상기 제2열교환기를 경유하여 상기 저온탱크로 유입되도록 연결된 저온 냉각제순환배관과, 상기 냉각수가 상기 열교환기에 유입되어 저온냉각제와 열교환 되어 유출되도록 연결된 냉각수배관을 포함한다.
ALD, 고온탱크, 저온탱크, 열교환기, 냉각장치

Description

냉각장치{REFRIGERATING DEVICE}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 냉각장치의 개념도,
도 2는 종래의 냉각장치의 개념도이다.
<주요 도면부호에 대한 간단한 설명>
10 : 고온탱크 11 : 고온 냉각제순환배관
13 : 바이패스관 20 : 저온탱크
21 : 저온 냉각제 순환배관 23 : 고온탱크냉각관
30 : 제1열교환기 40 : 제2열교환기
41 : 냉각수배관 60 : 제2순환펌프
62 : 제1순환펌프 64 : 유량개폐밸브
본 발명은 냉각장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 냉각제가 수용되는 고온탱크와 저온 냉각제가 수용되는 저온탱크를 구비함으로써 열교환기에서 냉각수를 끓는점 이하로 유지시킬 수 있는 냉각장치에 관한 것이다.
본 발명은 고온을 발생시키는 장비를 냉각시키는 장치이며, 특히 반도체공정 장비 등에 응용될 수 있다.
도 2는 종래의 냉각장치이다. 도 2에 도시된 종래의 냉각장치는 원자층 증착 장치(Atomic Laver Deposition, 이하 "ALD"라 함)를 냉각시키는 장치이다.
종래의 냉각장치는 냉각제탱크(110), 열교환기(130), 순환펌프(140), 냉각제순환배관(121), 냉각수순환배관(131)을 구비한다.
냉각제탱크(110)에는 가열된 ALD장비(120)를 냉각시킬 냉각제가 수용되며, 또한, 내부에는 냉각제가열수단(111)이 구비된다. 냉각제순환배관(121)은 냉각제탱크(110)의 냉각제가 ALD용 장비(120)를 경유하여 열교환기(130)에 유입된 후 냉각제탱크(110)로 유입되도록 냉각제탱크(110), ALD용 장비(120), 열교환기(130)에 연결된다. 순환펌프(140)는 냉각제가 순환되도록 냉각제순환배관(121)에 설치된다.
냉각수배관(131)은 냉각수가 열교환기(130)에 공급되어 나가도록 열교환기(130)에 연결된다. 따라서 열교환기(130)는 ALD용 장비(120)를 경유한 냉각제와 냉각수의 열교환을 시킨다. 또한 식별번호 153은 유량계이며, 151은 온도센서이다.
냉각제탱크(110) 내부의 냉각제는 순환펌프(140)에 의하여 ALD용 장비(120)에 공급된다. ALD용 장비(120)는 작업을 진행하면 고온으로 올라간다. 따라서 냉각제는 고온의 ALD용 장비(120)를 냉각시키고, 가열된 냉각제는 냉각제순환배관(121)을 통하여 열교환기(130)로 공급된다. 열교환기(130)에는 냉각수순환배관(131)을 통하여 저온의 냉각수가 공급되며, 냉각제순환배관(121)을 통하여 고온의 냉각제가 공급된다. 따라서 열교환기(130) 내부에서 냉각제는 냉각수와 열교환하여 냉각되며, 냉각된 냉각제는 저장탱크(110)으로 유입된다. 저장탱크(110) 내부에서 냉각제 는 온도가열수단(111)에 의하여 일정한 온도로 가열되어 다시 ALD용 장비로 공급된다.
ALD용 장비는 작업 중 200℃이상 상승되며, ALD용 장비로 유입되는 냉각제의 온도는 대략 150℃ 정도이다. 따라서 ALD용 장비를 경유한 냉각제는 160 ~ 180℃ 정도까지 가열된다. 또한, 열교환기에 공급되는 냉각수의 온도는 20℃ 가량이고, 열교환기에서는 20℃ 가량의 냉각수와 160 ~ 180℃의 냉각제 간에 열교환이 일어난다. 냉각수가 160 ~ 180℃ 정도의 고온의 냉각제와 열교환을 하므로 냉각수는 끓는 점 이상까지 상승하게 된다. 열교환기 내부에서 냉각수가 끓는점 이상까지 가열되어 공동현상(Cavitation)이 발생하며, 이에 의하여 열교환기에는 침식이 발생하고 균열이 발생하여 열교환기가 손상된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 열교환기 내부에서 냉각수가 끓는 것을 방지하여 열교환기가 손상되는 것을 방지시킨 냉각장치를 제공하기 위함이다.
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 냉각장치는 고온 냉각제를 수용하는 고온탱크와, 저온 냉각제를 수용하는 저온탱크와, 상기 저온 냉각제와 상기 고온 냉각제를 열교환시키는 제1열교환기와, 상기 저온 냉각제와 냉각수를 열교환시키는 제2열교환기와, 상기 고온탱크에 수용된 고온 냉각제가 대상 장비와, 상기 제1열교환기를 경유하여 상기 고온탱크로 유입되도록 연결된 고온 냉각제순환배관 과, 상기 저온탱크에 수용된 저온 냉각제가 상기 제1열교환기와, 상기 제2열교환기를 경유하여 상기 저온탱크로 유입되도록 연결된 저온 냉각제순환배관과, 상기 냉각수가 상기 열교환기에 유입되어 저온냉각제와 열교환 되어 유출되도록 연결된 냉각수배관을 포함한다.
또한, 상기의 냉각장치는 상기 고온 냉각제가 순환되도록 상기 고온 냉각제순환배관에 설치된 제1순환펌프와, 상기 저온 냉각제가 순환되도록 상기 저온 냉각제순환배관에 설치된 제2순환펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기의 냉각장치는 상기 고온 냉각제가 상기 대상 장비에 유입되기 이전에 상기 고온 냉각제순환배관에서 상기 고온탱크로 유입되도록 연결된 바이패스관을 더 포함할 수 있다. 이 경우 상기의 냉각장치는 상기 저온 냉각제가 상기 고온탱크에 유입되며, 상기 고온탱크에서 상기 저온 냉각제와 고온 냉각제의 혼합으로 넘치는 냉각제가 저온탱크로 유출되도록 연결된 고온탱크냉각관과, 상기 고온탱크에 유입되는 상기 저온냉각제의 공급을 온오프시키도록 상기 고온탱크냉각관에 설치된 유량개폐밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 더 바람직하게는 상기 탱크냉각관은 상기 제2열교환기를 통과하여 상기 냉각수와 열교환된 저온냉각제가 상기 고온탱크로 유입되도록 연결되는 것이다.
또한, 상기의 냉각장치의 상기 고온탱크에는 냉각제의 온도를 일정한 온도로 가열시키는 온도가열수단을 더 포함하는 것일 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 따른 냉각장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 냉각장치의 실시예의 개념도이다. 도 1에 도시된 냉각장치는 고온탱크(10), 저온탱크(20), 제1열교환기(30), 제2열교환기(40), 제1순환펌프(62), 제2순환펌프(60), 고온 냉각제순환배관(11), 저온 냉각제순환배관(21), 냉각수배관(41), 고온탱크냉각관(23) 및 바이패스관(13)을 구비한다.
고온탱크(10)는 고온 냉각제를 수용하며, 저온탱크(20)는 저온 냉각제를 수용하며, 제1열교환기(30)는 고온 냉각제와 저온 냉각제를 열교환 시키며, 제2열교환기(40)는 저온 냉각제와 냉각수를 열교환 시킨다.
고온 냉각제순환배관(11)은 고온탱크(10)에 수용된 고온 냉각제가 ALD용 장비(50)와, 제1열교환기(30)를 경유하여 고온탱크(10)에 유입되도록 연결된다. 제1순환펌프(62)는 상기의 고온 냉각제가 고온 냉각제순환배관(11)을 통하여 순환되도록 고온 냉각제순환배관(11)에 설치된다. ALD용 장비(50)는 작업시 200℃ 이상 상승된다. 또한, ALD용 장비(50)에 공급되는 고온 냉각제는 150℃ 가량이다. 따라서 고온탱크(10)에 수용된 고온냉각제는 ALD용 장비(50)에 유입되어 가열된 ALD용 장비(50)를 냉각시킨 후 제1열교환기(30)로 유입된다. 이때 ALD용 장비(50)를 냉각시킨 고온 냉각제는 160 ~ 180℃ 가량 가열된다. 또한, 제1열교환기(30)에는 20 ℃ 가량의 저온 냉각제가 유입되므로 제1열교환기(30)에서 저온 냉각제와 고온 냉각제 간의 열교환이 일어난다. 제1열교환기(30)에서 고온 냉각제는 150 ℃ 이하로 냉각되며, 저온 냉각제는 70 ℃ 가량으로 가열된다. 따라서 150 ℃ 이하로 냉각된 고온 냉각제는 고온탱크(10)로 유입되며, 고온탱크(10)에서 일정한 온도의 고온 냉각제를 ALD용 장비(50)에 공급하기 위하여 온도가열수단(13)을 사용하여 고온 냉각제를 150 ℃ 정도까지 가열시킨다.
바이패스관(13)은 ALD용 장비(50)로 유입되는 고온 냉각제순환배관(11)에서 고온탱크(10)까지 연결된 배관이다. ALD용 장비(50)는 정밀한 공정을 위하여 일정한 온도가 유지되어야 한다. 따라서 너무 많은 냉각제가 공급되면 ALD용 장비(50)의 온도가 급격하게 냉각되므로 ALD용 장비(50)에 일정한 유량의 냉각제를 공급하는 것이 중요하다. 바이패스관(13)은 ALD용 장비(50)에 일정한 유량을 공급하기 위한 것으로, 일정 유량 이상의 고온냉각제가 공급되면 ALD용 장비(50)로 유입되지 않고 바로 고온탱크(10)로 유입되도록 고온 냉각제순환배관(11)의 ALD용 장비(50)로의 유입부에서 고온탱크(10)로 연결된다.
냉각수배관(41)은 저온의 냉각수가 제2열교환기(40)에 공급되어 저온냉각제와 열교환 후 나가도록 제2열교환기(40)에 연결된다. 냉각수배관(41)을 통하여 열교환기(40)에 공급되는 냉각수의 온도는 20℃ 가량이다.
저온 냉각제순환배관(21)은 저온탱크(20)에 수용된 저온냉각제가 제1열교환기(30)와 제2열교환기(40)를 경유하여 저온탱크(20)에 유입되도록 저온탱크(20)와 제1열교환기(30)와 제2열교환기(40)에 연결된다. 제2순환펌프(60)는 상기의 저온냉각제가 저온 냉각제순환배관(21)을 통하여 순환되도록 저온 냉각제순환배관(21)에 설치된다. 저온탱크(20)에 수용된 저온냉각제의 온도는 20 ℃ 가량이다. 저온탱크(20)에 수용된 저온냉각제는 저온 냉각제순환배관(21)을 통하여 제1열교환기(30)에 유입되며, 제1열교환기(30)에서 고온 냉각제와 열교환된 후 제2열교환기(40)로 유입된다. 상기의 열교환 후 제2열교환기(40)로 유입되는 저온 냉각제는 70 ℃ 가 량이다. 제2열교환기(40)에서 70 ℃ 가량의 저온 냉각제와 20 ℃ 가량의 냉각수 간에 열교환이 일어난다. 따라서 제2열교환기(40)에 냉각수는 끓는점 이하인 70 ℃ 이상까지 가열되지 아니하므로 제2열교환기(40) 내부에서 액체 상태가 유지된다. 따라서 제2열교환기(40)에는 공동현상이 발생되지 아니하며, 침식 등에 의한 열교환기의 손상이 발생 되지 아니한다.
고온탱크냉각관(23)는 제1열교환기(30)에 유입되는 저온 냉각제순환배관(21)에서 고온탱크(10)까지 연결된 배관과, 고온탱크(10)에서 저온탱크(20)까지 연결된 배관으로 구성된다. 고온탱크(10)은 150 ℃ 정도의 고온을 유지하고 있다. 고온탱크(10)는 정기적인 유지보수가 필요하며, 유지보수를 하기 위해서는 사람이 작업할 수 있는 정도의 온도까지 고온탱크(10)가 냉각되어야 한다. 고온탱크(10)를 자연냉각시키면 오랜 시간이 소요되므로 빠른 시간 내에 고온탱크(10)를 냉각시키기 위하여 고온탱크냉각관(23)이 필요하다.
저온 냉각제순환배관(21)에서 고온탱크(10)까지 연결된 배관은 제2열교환기(40)를 통과하여 냉각수에 의하여 냉각된 저온 냉각제를 고온탱크(10)에 공급하기 위한 배관이다. 따라서 본 실시예에서는 저온 냉각제순환배관(21)의 제1열교환기(30)로 저온 냉각제가 유입되는 배관부에서 연결되었으나, 제2열교환기(40)에서 저온 냉각제가 유출되는 배관부 또는 저온탱크(20)에서 고온탱크(10)로 연결될 수 있다.
고온탱크냉각관(23)을 통하여 고온탱크(10)로 저온 냉각제가 유입될 경우, 고온냉각제와 저온냉각제가 혼합되어 고온탱크(10)의 온도는 급격히 내려가며, 고 온탱크(10)는 냉각제가 과다 공급되어 넘치게 된다. 고온탱크(10)에서 저온탱크(20)까지 연결된 배관은 고온탱크(10)에서 넘치는 냉각제를 저온탱크(20)로 유입시키기 위한 배관이다.
저온 냉각제를 고온탱크(10)에 공급하여 고온탱크(10)의 온도를 냉각시키는 것은 고온탱크(10)를 유지보수하기 위한 정비시에만 필요하므로 평상시에는 저온 냉각제의 고온탱크(10)로 공급이 차단되어야 한다. 따라서 고온탱크냉각관(23)의 저온 냉각제순환배관(21)에서 고온탱크(10)까지 연결된 배관에는 유량개폐밸브(64)가 설치되어 있다. 유량개폐밸브(64)는 고온탱크냉각관(23)을 개폐시키며, 유량개폐밸브(64)가 개방되면 저온 냉각제가 고온탱크(10)에 유입되며, 폐쇄되면 저온 냉각제가 고온탱크(10)에 유입되지 아니한다.
미설명 도면번호 70 및 72는 저온 냉각제와 고온 냉각제의 온도를 측정하는 온도센서이며, 74는 고온탱크(10)에서 제1열교환기로 공급되는 고온 냉각제의 유량을 측정하는 유량계이다.
이하에서는 본 실시예에 따른 냉각장치의 작용을 설명한다.
고온탱크(10)에 수용된 150 ℃ 정도의 고온 냉각제는 제1순환펌프(62)에 의하여 고온 냉각제순환배관(11)을 통하여 ALD용 장비(50)에 공급된다. 이때 고온 냉각제의 일정한 유량 만 ALD용 장비(50)에 공급되며, 나머지 유량은 바이패스관(13)을 통하여 고온탱크(10)로 다시 유입된다. 작업에 의하여 200 ℃ 이상 가열된 ALD용 장비(50)는 고온 냉각제에 의하여 냉각되며, 고온 냉각제는 160 ~ 180 ℃ 가열되어 제1열교환기(30)로 공급된다.
저온탱크(20)에 수용된 20 ℃ 가량의 저온 냉각제는 제2순환펌프(60)에 의하여 저온 냉각제 순환배관(21)을 통하여 제2열교환기(30)로 공급된다.
제1열교환기(30)에서 저온 냉각제와 고온 냉각제는 열교환을 하며, 고온 냉각제는 150 ℃ 이하로 냉각되어 고온탱크(10)로 유입되며, 저온 냉각제는 70 ℃ 정도로 가열되어 제2열교환기(40)로 공급된다.
제2열교환기(40)에는 냉각수 배관을 통하여 20 ℃ 가량의 냉각수가 공급되므로 냉각수와 저온 냉각제 간의 열교환이 발생한다. 따라서 저온 냉각수는 제2열교환기(40)에서 20 ℃ 정도로 냉각되어 저온탱크(20)로 유입된다.
또한, 평상시는 유량개폐밸브(64)가 폐쇄되어 있으나, 고온탱크(10)의 정비가 필요하여 유량개폐밸브(64)를 개방하면 20 ℃ 가량의 저온 냉각제가 고온탱크(10)로 유입된다. 유입된 저온 냉각제의 의하여 고온탱크(10)에서 고온 냉각제와 저온 냉각제가 혼합되어 고온탱크(10)의 온도는 내려간다. 또한, 고온탱크(10)에 냉각제가 과도하게 공급됨으로 인하여 냉각제는 흘러넘치게 되며, 고온탱크냉각관(23)을 통하여 저온탱크(20)로 유입된다.
본 발명에 의하면, 냉각수가 열교환기에서 끓는점까지 가열되지 않도록 하기 위하여 제1열교환기에서 고온 냉각제와 저온 냉각제를 열교환시키고, 제2열교환기에서 저온 냉각제와 냉각수를 열교환 시킴으로써 열교환기의 수명을 연장시킨 냉각장치를 제공할 수 있다.
앞서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사 상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 고온 냉각제를 수용하는 고온탱크와,
    저온 냉각제를 수용하는 저온탱크와,
    상기 저온 냉각제와 상기 고온 냉각제를 열교환시키는 제1열교환기와,
    상기 저온 냉각제와 냉각수를 열교환시키는 제2열교환기와,
    상기 고온탱크에 수용된 고온 냉각제가 대상 장비와, 상기 제1열교환기를 경유하여 상기 고온탱크로 유입되도록 연결된 고온 냉각제순환배관과,
    상기 저온탱크에 수용된 저온 냉각제가 상기 제1열교환기와, 상기 제2열교환기를 경유하여 상기 저온탱크로 유입되도록 연결된 저온 냉각제순환배관과,
    상기 냉각수가 상기 열교환기에 유입되어 저온냉각제와 열교환 되어 유출되도록 연결된 냉각수배관과,
    상기 고온 냉각제가 순환되도록 상기 고온 냉각제순환배관에 설치된 제1순환펌프와,
    상기 저온 냉각제가 순환되도록 상기 저온 냉각제순환배관에 설치된 제2순환펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고온 냉각제가 상기 대상 장비에 유입되기 이전에 상기 고온 냉각제순환배관에서 상기 고온탱크로 유입되도록 연결된 바이패스관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 저온 냉각제가 상기 고온탱크에 유입되며, 상기 고온탱크에서 상기 저온 냉각제와 고온 냉각제의 혼합으로 넘치는 냉각제가 저온탱크로 유출되도록 연결된 고온탱크냉각관과,
    상기 고온탱크에 유입되는 상기 저온냉각제의 공급을 온오프시키도록 상기 고온탱크냉각관에 설치된 유량개폐밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 탱크냉각관은 상기 제2열교환기를 통과하여 상기 냉각수와 열교환된 저온냉각제가 상기 고온탱크로 유입되도록 연결된 것을 특징으로 하는 냉각장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고온탱크에는 냉각제의 온도를 일정한 온도로 가열시키는 온도가열수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각장치.
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