KR100890961B1 - Hybrid temperature control method for chiller apparatus for decreasing power consumption - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 칠러 장치의 하이브리드 온도제어방법에 관한 것으로, 특히 히터 출력을 절감하고 냉동기의 소비전력을 줄여 소비전력을 최소화하는 기술에 관련한다.The present invention relates to a hybrid temperature control method of a chiller apparatus, and more particularly, to a technique for reducing a heater output and a power consumption of a refrigerator to minimize power consumption.
칠러 장치는 반도체 소자의 제조공정에서 안정적인 공정제어를 위한 온도조절장치이다. 특히 칠러 장치는 여러 공정 중 식각 및 노광 공정에서 주로 사용하는데 공정 중 과도한 열이 발생하는 전극판 및 챔버(chamber)의 온도를 일정하게 유지시켜 줌으로써 고온으로 인한 웨이퍼의 파손 및 생산성의 저하를 막아준다.The chiller device is a temperature control device for stable process control in semiconductor device manufacturing process. Especially, chiller is used in various processes such as etching and exposure process. It keeps the temperature of the electrode plate and chamber which generates excessive heat during the process constant, thereby preventing damage to the wafer due to high temperature and deterioration of productivity .
이러한 기능을 수행하는 칠러 장치의 냉동사이클은 냉매 경로와 브라인 경로가 증발기에서 중첩되어 열 교환이 이루어진다. 여기서, 브라인(brine)은 낮은 동결점을 가진 용액 또는 액체로, 보통 갈덴(galden)이나 에틸렌 글리콜 혼합물이 사용된다. In the refrigeration cycle of the chiller device performing such a function, the refrigerant path and the brine path are overlapped in the evaporator to perform heat exchange. Here, a brine is a solution or liquid having a low freezing point, usually a galden or ethylene glycol mixture is used.
도 1은 종래의 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치의 한 예를 나타내는 계통 도이다. 1 is a system diagram showing an example of a conventional chiller apparatus for a semiconductor processing facility.
먼저 냉동사이클로 형성되는 냉매(예를 들어, 프레온 가스)의 순환경로를 보면 다음과 같다.First, the circulation path of the refrigerant (for example, Freon gas) formed in the refrigeration cycle is as follows.
(1) 압축기(10)에서 토출한 고온고압의 냉매는 20℃ 정도의 냉각수가 열 접촉하는 응축기(20)에서 응축되어 고압의 냉매액으로 상변화한 후,(1) The refrigerant of high temperature and high pressure discharged from the
(2) 응축된 냉매액은 고압 탱크인 수액기(30)에 저장되고,(2) The condensed refrigerant liquid is stored in the receiver (30) as a high-pressure tank,
(3) 수액기(30)를 나온 냉매액은 전자식 팽창밸브(40, EEV)에서 팽창하여 저온저압의 포화냉매 상태로 변하며,(3) The refrigerant liquid discharged from the receiver (30) expands in the electronic expansion valve (40, EEV) and changes into a low-temperature, low-pressure saturated refrigerant state,
(4) 저온저압의 포화냉매는 증발기(50)에서 브라인과 열 교환하여 증발하여 다시 압축기(10)로 유입되는 과정을 반복하게 된다.(4) The saturated refrigerant at a low temperature and pressure is evaporated by heat exchange with the brine in the
또한, 브라인의 순환경로를 보면 다음과 같다.The circulation path of the brine is as follows.
(1) 반도체 공정용 설비를 빠져나온 브라인은 증발기(50)에서 냉매와의 열교환을 수행한 후,(1) The brine exiting the semiconductor process facility performs heat exchange with the refrigerant in the
(2) 탱크(60)에서 브라인 히터(70)에 의해 가열되고,(2) heated by the
(3) 브라인 펌프(70)에 의해 반도체 공정용 설비로 유입되는 경로를 형성한다.(3) The
이러한 종래의 구조에 의하면, 반도체 공정용 설비에서 -20℃ ~ 90℃의 온도영역을 제어하기 위해 운전시 항상 프레온 냉매 냉동기 운전에 의한 냉각모드과 히터 출력에 의한 가열모드를 동시에 운전하였다. According to this conventional structure, in order to control the temperature range of -20 ° C to 90 ° C in the semiconductor process facility, the cooling mode by the operation of the refrigerant refrigerating machine and the heating mode by the heater output are simultaneously operated at all times during operation.
구체적으로, 외부부하가 열량을 흡열하는 조건일 경우, 냉동기 운전에 의한 냉매 증발잠열 냉각방식으로 브라인의 열량을 임의의 냉각용량으로 냉각한 후 냉각보상 온도제어 방식으로 히터 출력이 불특정하게 소비되었다. Specifically, in the case where the external load absorbs heat, the heater output is uniquely consumed by the cooling compensation temperature control method after cooling the brine heat to an arbitrary cooling capacity by the latent heat cooling method of the refrigerant evaporation by the refrigerating machine operation.
또한, 외부부하가 열량을 방열하는 조건의 경우, 히터에 의한 가열부하만 필요하고 냉각부하는 필요 없는 조건이 된다. 그럼에도 고온 운전조건에서 외부부하 변동에 의해 다시 냉동기 운전이 필요한 경우 냉동기의 초기 구동에 따른 온도 헌팅을 없애기 위해 불필요하게 냉동기 운전을 수행하였다. 이에 따라, 압축기의 전기모터 구동으로 인한 전력소비가 발생하였다.In addition, in the case where the external load radiates heat, only a heating load by a heater is required, and a cooling load is not necessary. Nevertheless, when the refrigerator operation is required again due to the external load fluctuation under the high temperature operating condition, the refrigerator operation is unnecessarily performed in order to eliminate the temperature hunting due to the initial operation of the refrigerator. As a result, power consumption due to driving of the electric motor of the compressor has occurred.
따라서, 본 발명의 목적은 온도에 따른 운전영역에 기초하여 브라인의 온도를 제어하는 방식을 다르게 함으로써 전체적으로 소비전력을 절감할 수 있는 칠러 장치의 온도제어방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a temperature control method of a chiller apparatus which can reduce the power consumption as a whole by differently controlling the temperature of the brine based on the operation region according to the temperature.
본 발명의 다른 목적은 냉동기 운전을 최소화하는 칠러 장치의 온도제어방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method of controlling the temperature of a chiller apparatus that minimizes refrigerator operation.
본 발명의 또 다른 목적은 외부 부하의 선별에 따라 제어방식을 달리함으로써 히터 출력을 최소화하는 칠러 장치의 온도제어방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide a method of controlling the temperature of a chiller apparatus that minimizes a heater output by varying a control method according to selection of an external load.
상기의 목적은, 냉매 경로에 설치된 증발기에서 반도체 공정용 설비에 제공되는 브라인과 열 교환이 이루어지는 칠러 장치에 적용되며, 온도에 따른 운전영역을 확인하고, 상기 확인된 운전영역에 따라서 냉매 냉각과 온도보상용 히터 가열에 의해 상기 브라인의 온도를 제어하는 제 1 제어모드, 냉각수 냉각과 온도보상용 히터 가열에 의해 상기 브라인의 온도를 제어하는 제 2 제어모드, 및 가열용 히터 가열만으로 상기 브라인의 온도를 제어하는 제 3 제어모드 중 어느 하나의 제어모드로 상기 브라인의 온도를 제어하는 하이브리드 온도제어방법에 의해 달성된다.The above object of the present invention is also achieved by a chiller apparatus for a chiller apparatus for heat exchange with a brine provided in an evaporator provided in a refrigerant path, A first control mode for controlling the temperature of the brine by heating the compensation heater, a second control mode for controlling the temperature of the brine by cooling the cooling water and the heater for temperature compensation, and a second control mode for controlling the temperature of the brine And a third control mode for controlling the temperature of the brine in any one of the control modes.
바람직하게, 상기 제 1 제어모드는 -20℃ ~ 29℃ 온도범위에서의 운전에 적용되고, 상기 제 2 및 제 3 제어모드는 30℃ ~ 90℃ 온도범위에서의 운전에 적용될 수 있다.Preferably, the first control mode is applied to operation in a temperature range of -20 ° C to 29 ° C, and the second and third control modes are applicable to operation in a temperature range of 30 ° C to 90 ° C.
또한, 상기 30℃ ~ 90℃ 온도범위에서의 운전 중 외부부하가 상기 브라인이 열을 방출하는 방열조건인지 열을 흡수하는 흡열조건인지를 선별하여, 흡열조건이면 냉각부하를 위해 상기 제 2 제어모드를 적용하고, 방열조건이면 가열부하를 위해 상기 제 3 제어모드를 적용할 수 있다.In addition, during operation in the temperature range of 30 ° C to 90 ° C, it is discriminated whether the external load is a heat radiation condition in which the brine releases heat or an endothermic condition in which heat is absorbed. If the external load is an endothermic condition, And the third control mode may be applied to the heating load if the heating condition is satisfied.
바람직하게, 상기 제 3 제어모드에 적용되는 가열용 히터의 출력은 상기 제 1 및 제 2 제어모드에 적용되는 온도보상용 히터의 출력보다 크다.Preferably, the output of the heating heater applied to the third control mode is larger than the output of the heater for temperature compensation applied to the first and second control modes.
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상기의 구조에 의하면, 온도영역을 확인하고 저온 운전의 경우 냉매 냉각과 저출력의 온도보상용 히터를 적용하고, 고온 운전의 경우 외부 부하의 조건에 따라 냉각수 냉각과 온도보상용 히터 가열 또는 가열용 히터만의 가열을 선택적으로 적용함으로써 소비전력을 최소화할 수 있다.According to the above structure, a heater for temperature compensation of coolant cooling and a low output power is applied in the case of low temperature operation, and a heater for heating or heating for cooling of cooling water and temperature compensation is applied according to the condition of external load in high temperature operation. The power consumption can be minimized by selectively applying heating only.
또한, 냉매 냉각이 아닌 냉각수 냉각을 적용함으로써 냉동기 사이클의 운전을 제한할 수 있기 때문에, 냉동기 소비전력을 절반 정도로 줄일 수 있고, 운전 제 한에 따라 냉동 부품의 유지보수 건수가 감소하며, 프레온 냉매의 사용량을 줄일 수 있다. In addition, since the operation of the refrigerator cycle can be restricted by applying the cooling water cooling instead of the cooling of the refrigerant, the power consumption of the refrigerator can be reduced to about half, the number of maintenance of the refrigerating part is reduced according to the operating limitation, You can reduce usage.
또한, 외부 부하 선별에 의해 저출력 히터를 이용하여 온도보상 가열을 하기 때문에 히터 출력을 최소화할 수 있다. Further, since the temperature-compensated heating is performed using the low-output heater by external load sorting, the heater output can be minimized.
또한, 냉각수 냉각/온도보상용 히터 가열과 가열용 히터만의 가열을 전환시 냉매 냉각방식에 따른 압축기 초기 구동에 의한 온도 헌팅이 발생하지 않는다.In addition, temperature hunting due to the initial drive of the compressor according to the coolant cooling method does not occur when the heater for cooling cooling water / temperature compensation and the heating for only the heating heater are switched.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 온도제어방법을 적용하기 위한 칠러 장치를 나타내는 계통도이다.2 is a system diagram showing a chiller apparatus for applying the temperature control method of the present invention.
도 2를 참조하면, 냉매 경로는 종래와 같이 압축기(10), 응축기(20), 수액기(30), 전자식 팽창밸브(40), 및 증발기(50)를 순환하는 경로로 이루어진다. 또한, 브라인 경로는 증발기(50), 히터(62, 64)를 구비한 탱크(60), 및 브라인 펌프(70)로 이루어지며, 히터는 저출력의 온도보상용 히터(64)와 고출력의 가열용 히터(62)로 이루어진다.Referring to FIG. 2, the refrigerant path includes a path circulating through the
본 발명에 따르면, 브라인 경로의 브라인 리턴단(100)에는 직렬로 연결된 개폐밸브(92)와 냉각수 열교환기(80)가 설치되며, 냉각수 열교환기(80)를 바이패스하도록 바이패스 밸브(90)를 구비한 바이패스 경로(102)가 병렬로 연결된다. 또한, 냉매 경로의 응축기(20)와 열 접촉하도록 구성된 냉각수 경로(200, 210)는 병렬로 냉각수 열교환기(80)를 경유하도록 구성된다.According to the present invention, the
도 3은 본 발명에 따른 온도제어방법을 설명하는 플로차트이다.3 is a flowchart illustrating a temperature control method according to the present invention.
이하, 본 발명에 따른 온도제어방법을 도 2와 3을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the temperature control method according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3. FIG.
통상, 반도체 공정의 경우 챔버의 상부와 하부에 각각 한 채널씩 두 개의 채널이 적용되는데, 하나의 채널은 상온 이상의 온도, 가령 30℃ ~ 90℃를 사용하고, 다른 채널은 상온 이하의 온도, 가령 -20℃ ~ 29℃를 사용한다. 그러나, 공정의 특성에 따라 -20℃ ~ 90℃의 전체 영역을 사용하는 조건이 있기 때문에 채널별로 전체 영역의 운전이 가능해야 한다.Typically, in the case of a semiconductor process, two channels are applied to each of the upper and lower chambers, one at a temperature above room temperature, such as 30 ° C to 90 ° C, and the other channel at a temperature below room temperature, -20 ℃ ~ 29 ℃ is used. However, depending on the characteristics of the process, the entire region of -20 ° C to 90 ° C is used.
본 발명에 따르면, 먼저 반도체 챔버의 설정온도에 따른 운전영역을 확인한다(단계 S31). According to the present invention, first, an operation region corresponding to a set temperature of the semiconductor chamber is confirmed (Step S31).
이어, 운전영역이 상온 이하의 온도, 가령 -20℃ ~ 29℃를 사용하는 제 1 운전영역인지, 상온 이상의 온도, 가령 30℃ ~ 90℃를 사용하는 제 2 운전영역인지를 판정한다(단계 S32).Next, it is determined whether the operation region is a first operation region using a temperature of room temperature or less, for example, -20 ° C to 29 ° C, or a second operation region using a temperature of room temperature or more, for example, 30 ° C to 90 ° C ).
확인된 운전영역이 제 1 운전영역, 즉 -20℃ ~ 29℃의 저온 운전인 경우, 제 1 제어모드를 적용하여 온도를 제어한다(단계 S33).When the confirmed operation region is the low temperature operation in the first operation region, that is, -20 ° C to 29 ° C, the first control mode is applied to control the temperature (Step S33).
제 1 1st 제어모드Control mode
도 2를 참조하면, 칠러 장치의 제어부는 브라인 리턴단(100)에 설치된 개폐밸브(92)를 닫고 바이패스 경로(102)의 바이패스 밸브(90)를 여는 한편, 온도보상용 히터(64)를 동작시킨다.2, the controller of the chiller apparatus closes the on-off
이에 따라, 반도체 공정용 설비에서 리턴하는 브라인은 바이패스 경로(102)를 거쳐 증발기(50)에서 냉매와의 열교환을 수행한 후, 탱크(60)에서 1㎾의 저출력 히터(64)에 의해 온도보상 가열되고, 브라인 펌프(70)에 의해 반도체 공정용 설비 로 공급된다.Accordingly, the brine returned from the semiconductor process facility is subjected to heat exchange with the refrigerant in the
이와 같이, 온도영역을 확인하고 그에 따라 프레온 냉매가스로 브라인의 온도를 내리는 냉매 냉각과 브라인의 온도를 설정온도로 고정밀 제어하기 위한 저출력의 온도보상용 히터를 적용함으로써 소비전력을 최소화할 수 있다.As described above, the power consumption can be minimized by applying a low-output temperature compensation heater for cooling the refrigerant to reduce the temperature of the brine by the refrigerant gas and to control the temperature of the brine to a predetermined temperature.
한편, 확인된 운전영역이 제 2 운전영역, 즉 30℃ ~ 90℃의 고온 운전인 경우, 제 2 또는 제 3 제어모드를 적용하여 온도를 제어한다.On the other hand, when the confirmed operation region is the high temperature operation in the second operation region, that is, 30 ° C to 90 ° C, the temperature is controlled by applying the second or third control mode.
이를 위해, 반도체 챔버 내부에서 발생하는 열량에 의한 외부 부하가 방열조건인지 흡열조건인지를 선별한다(단계 S34). 여기서, 방열조건이란 외부 부하, 즉 브라인이 열 접촉에 의해 반도체 공정용 설비에 열을 방출하여 리턴되는 브라인의 온도가 공급되는 브라인의 온도보다 낮게 되는 상태를 말한다. 반면에, 흡열조건이란 브라인이 반도체 공정용 설비로부터 열을 흡수하여 리턴되는 브라인의 온도가 공급되는 브라인의 온도보다 높게 되는 상태를 말한다.To this end, whether the external load due to the heat generated in the semiconductor chamber is a heat radiation condition or an endothermic condition is selected (step S34). Here, the heat radiation condition refers to a state in which the external load, that is, the brine releases heat to the semiconductor process facility by thermal contact, and the temperature of the brine that returns is lower than the temperature of the brine to which the brine is supplied. On the other hand, an endothermic condition refers to a state in which the brine absorbs heat from the equipment for semiconductor processing and the temperature of the brine that returns is higher than the temperature of the brine to which the brine is supplied.
외부 부하가 흡열조건인 경우, 다시 말해 반도체 챔버에서 흡열되는 외부 부하의 열량만큼 브라인을 냉각해야 하는 경우, 즉 냉각부하가 요구되는 경우이므로 제 2 제어모드를 적용하여 온도를 제어한다.When the external load is an endothermic condition, that is, when the brine is to be cooled by the heat amount of the external load absorbing heat from the semiconductor chamber, that is, when the cooling load is required, the temperature is controlled by applying the second control mode.
제 2 Second 제어모드Control mode
도 2를 참조하면, 칠러 장치의 제어부는 냉각부하가 요구됨에도 냉매 냉각 사이클을 정지함과 동시에 브라인 리턴단(100)에 설치된 바이패스 밸브(90)를 닫고 개폐밸브(92)를 열어 브라인이 냉각수 열교환기(80)를 경유하도록 하는 한편, 온도보상용 히터(64)를 동작시킨다.2, the control unit of the chiller apparatus stops the refrigerant cooling cycle even if a cooling load is required, closes the
이에 따라, 반도체 공정용 설비에서 리턴하는 브라인은 냉각수 열교환기(80)에서 냉각수 경로(200, 210)를 따라 순환하는 냉각수와 열교환을 수행한 후, 탱 크(60)에서 1㎾의 저출력 히터(64)에 의해 온도보상 가열되고, 브라인 펌프(70)에 의해 반도체 공정용 설비로 공급된다.Accordingly, the brine returned from the semiconductor process equipment is subjected to heat exchange with the cooling water circulating along the
이와 같이, 고온 운전의 경우 외부 부하가 흡열조건인 경우에도 냉매 냉각이 아닌 외부로부터 공급되는 냉각수를 이용하여 브라인을 냉각하는 냉각수 냉각을 적용함으로써 냉동기 사이클의 운전을 제한할 수 있다. 이에 따라, 냉동기 소비전력을 절반 정도로 줄일 수 있고, 운전 제한에 따라 냉동 부품의 유지보수 건수가 감소하며, 프레온 냉매의 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 외부 부하 선별에 의해 저출력 히터를 이용하여 온도보상 가열을 하기 때문에 히터 출력을 최소화할 수 있다. 더욱이, 제 2 모드와 후술하는 제 3 모드의 전환시 냉매 냉각방식에 따른 압축기 초기 구동에 의한 온도 헌팅이 발생하지 않는다.As described above, even when the external load is the endothermic condition in the high temperature operation, the cooling water cooling for cooling the brine by using the cooling water supplied from the outside rather than the cooling of the refrigerant can be applied to restrict the operation of the refrigerator cycle. Accordingly, the power consumption of the refrigerator can be reduced to about half, and the number of maintenance and repair of the refrigerating parts can be reduced according to the operation restriction, and the amount of the refrigerant used can be reduced. Further, since the temperature-compensated heating is performed using the low-output heater by external load sorting, the heater output can be minimized. Further, temperature hunting due to the initial drive of the compressor according to the coolant cooling method does not occur at the time of switching between the second mode and the third mode described later.
이에 비해, 외부 부하가 방열조건인 경우, 다시 말해, 챔버에서 빼앗겨 방열된 외부 부하의 방열량만큼 브라인을 가열해야 하는 경우, 즉 가열부하가 요구되는 경우이므로 제 3 제어모드를 적용하여 온도를 제어한다.In contrast, when the external load is a heat-dissipating condition, that is, when the brine is to be heated by the heat radiation amount of the heat-dissipated external load after being taken out of the chamber, that is, when a heat load is required, the temperature is controlled by applying the third control mode .
제 3 Third 제어모드Control mode
도 2를 참조하면, 칠러 장치의 제어부는 가열부하가 요구되기 때문에 냉매 냉각 사이클을 정지시키고, 브라인 리턴단(100)에 설치된 개폐밸브(92)를 닫고 바이패스 경로(102)의 바이패스 밸브(90)를 여는 한편, 온도보상용 히터(64)보다 용량이 두 배 이상 큰 가열용 히터(62)를 동작시킨다.2, the control unit of the chiller apparatus stops the refrigerant cooling cycle because the heating load is required, closes the on-off
이에 따라, 반도체 공정용 설비에서 리턴하는 브라인은 바이패스 경로(102)를 거쳐 탱크(60)로 유입되고 3㎾의 고출력 히터(62)에 의해 가열되고, 브라인 펌프(70)에 의해 반도체 공정용 설비로 공급된다.Accordingly, the brine returned from the semiconductor process equipment flows into the
이와 같이, 고온 운전의 경우 외부 부하가 방열조건이어서 가열부하가 요구 되는 경우 가열용 히터에 의한 단독 제어를 적용함으로써 냉동기 사이클의 운전을 제한할 수 있어 냉동기 소비전력을 절반 정도로 줄일 수 있고, 운전 제한에 따라 냉동 부품의 유지보수 건수가 감소하며, 프레온 냉매의 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 온도보상용 히터를 사용하지 않고 가열용 히터만을 단독으로 사용하기 때문에 히터 출력을 최소화할 수 있다.As described above, in the case of high temperature operation, when the heating load is required because the external load is in a heat radiation condition, the operation of the refrigerator cycle can be restricted by applying the sole control by the heater for heating, so that the power consumption of the refrigerator can be reduced to about half, , The number of maintenance of the refrigerating parts is reduced and the amount of the refrigerant used can be reduced. In addition, since only the heating heater is used alone without using the heater for temperature compensation, the heater output can be minimized.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Accordingly, the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described above, but should be construed in accordance with the following claims.
도 1은 종래의 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치의 한 예를 나타내는 계통도이다. 1 is a schematic diagram showing an example of a conventional chiller apparatus for semiconductor processing equipment.
도 2는 본 발명의 온도제어방법을 적용하기 위한 칠러 장치를 나타내는 계통도이다.2 is a system diagram showing a chiller apparatus for applying the temperature control method of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 온도제어방법을 설명하는 플로차트이다.3 is a flowchart illustrating a temperature control method according to the present invention.
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- 2008-07-08 KR KR1020080065997A patent/KR100890961B1/en active IP Right Grant
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