KR100986253B1 - Temperature control method for chiller apparatus - Google Patents
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Abstract
온도보상용 히터의 전력소비를 줄일 수 있는 칠러 장치의 온도제어방법이 개시된다. 상기의 방법은, 냉매 경로에 설치된 증발기에서 반도체 공정설비에 제공되는 브라인과 열 교환이 이루어지는 칠러 장치에 적용되며, 브라인 히터의 최소출력량을 설정하는 단계; 상기 히터 최소 출력량에 기초하여 냉각제어 설정값을 산출하는 단계; 상기 산출된 냉각제어 설정값에 기초하여 상기 증발기 전단에 설치된 팽창밸브의 개도를 조절하여 상기 브라인의 냉각제어를 수행하는 단계; 및 상기 설정된 히터 최소출력량으로 상기 냉각제어된 브라인의 가열 보상제어를 수행하여 최종 제어를 수행하는 단계를 포함한다.Disclosed is a temperature control method of a chiller device capable of reducing power consumption of a temperature compensating heater. The above method is applied to a chiller device in which heat exchange is performed with a brine provided to a semiconductor processing equipment in an evaporator installed in a refrigerant path, and setting a minimum output amount of a brine heater; Calculating a cooling control set value based on the heater minimum output amount; Performing cooling control of the brine by adjusting an opening degree of an expansion valve installed at the front end of the evaporator based on the calculated cooling control set value; And performing final control by performing heating compensation control of the cooling-controlled brine with the set heater minimum output amount.
칠러, 소비전력, 브라인 히터, 최소출력 Chiller, power consumption, brine heater, minimum output
Description
본 발명은 칠러 장치의 온도제어방법에 관한 것으로, 특히 온도보상용 히터의 출력을 제어하여 전력소비를 줄일 수 있는 기술에 관련한다.The present invention relates to a temperature control method of a chiller device, and more particularly, to a technology capable of reducing power consumption by controlling an output of a temperature compensating heater.
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 a semiconductor device manufacturing process. In particular, the chiller device is mainly used in the etching and exposure processes of various processes, and keeps the temperature of the electrode plate and chamber where excessive heat is generated during the process to prevent wafer breakage and productivity decrease due to high temperature. .
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 refrigerating cycle of the chiller device performing this function, the refrigerant path and the brine path overlap each other in the evaporator, thereby performing heat exchange. Here, brine is a solution or liquid with a low freezing point, usually a galden or ethylene glycol mixture is used.
도 1은 종래의 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치의 한 예를 나타내는 계통도이다. 1 is a system diagram showing an example of a chiller apparatus for a conventional semiconductor processing equipment.
먼저 냉동사이클로 형성되는 냉매(예를 들어, 프레온 가스)의 순환경로를 보 면 다음과 같다.First, the circulation path of the refrigerant (for example, freon gas) formed by the refrigeration cycle is as follows.
압축기(10)에서 토출한 고온고압의 냉매는 20℃ 정도의 냉각수가 열 접촉하는 응축기(20)에서 응축되어 고압의 냉매액으로 상변화한 후, 응축된 냉매액은 고압 탱크인 수액기(30)에 저장되고, 수액기(30)를 나온 냉매액은 전자식 팽창밸브(40, EEV)에서 팽창하여 저온저압의 포화냉매 상태로 변하며, 저온저압의 포화냉매는 증발기(50)에서 브라인과 열 교환하여 증발하여 다시 압축기(10)로 유입되는 과정을 반복하게 된다.After the high temperature and high pressure refrigerant discharged from the
또한, 브라인의 순환경로를 보면 다음과 같다.In addition, the brine circulation path is as follows.
반도체 공정용 설비를 빠져나온 브라인은 증발기(50)에서 냉매와의 열교환을 수행한 후, 탱크(60)에서 브라인 히터(70)에 의해 온도보상 가열되고, 브라인 펌프(70)에 의해 반도체 공정용 설비로 유입되는 경로를 형성한다.After brine exiting the semiconductor processing equipment is heat-exchanged with the refrigerant in the
이러한 종래의 구조에 의하면, 변동되는 외부 부하의 용량을 파악하지 못하고 막연한 적정량의 최대부하를 예상하여 냉각시키기 때문에 설정부하 이상으로 과냉되는 경우가 발생하게 된다. 이를 보상하기 위한 브라인 히터의 가열운전시 소비되는 전력량은 과냉의 정도에 비례하여 커지게 되므로 소비효율은 저하된다. 다시 말해, 임의의 냉각용량에 따른 온도보상 히터제어방식은 불필요한 전력의 소비를 유발시킨다는 문제점이 있다.According to such a conventional structure, since the capacity of the external load to be fluctuated cannot be grasped and an expected maximum load of a vague appropriate amount is expected to be cooled, a case of overcooling above a set load occurs. In order to compensate for this, the amount of power consumed during the heating operation of the brine heater increases in proportion to the degree of subcooling, thereby reducing the consumption efficiency. In other words, the temperature compensation heater control method according to an arbitrary cooling capacity has a problem of causing unnecessary power consumption.
따라서, 본 발명의 목적은 온도보상용 히터의 출력을 제어하여 전력소비를 줄일 수 있는 칠러 장치의 온도제어방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a temperature control method of a chiller device that can reduce the power consumption by controlling the output of the temperature compensation heater.
상기의 목적은, 냉매 경로에 설치된 증발기에서 반도체 공정설비에 제공되는 브라인과 열 교환이 이루어지는 칠러 장치에 적용되며, 브라인 히터의 최소출력량을 설정하는 단계; 상기 히터 최소 출력량에 기초하여 냉각제어 설정값을 산출하는 단계; 상기 산출된 냉각제어 설정값에 기초하여 상기 증발기 전단에 설치된 팽창밸브의 개도를 조절하여 상기 브라인의 냉각제어를 수행하는 단계; 및 상기 설정된 히터 최소출력량으로 상기 냉각제어된 브라인의 가열 보상제어를 수행하여 최종 제어를 수행하는 단계를 포함하는 칠러 장치의 온도제어방법에 의해 달성된다.The above object is applied to a chiller device in which heat exchange is performed with a brine provided to a semiconductor process facility in an evaporator installed in a refrigerant path, setting a minimum output amount of a brine heater; Calculating a cooling control set value based on the heater minimum output amount; Performing cooling control of the brine by adjusting an opening degree of an expansion valve installed at the front end of the evaporator based on the calculated cooling control set value; And performing final control by performing heating compensation control of the cooling-controlled brine with the set heater minimum output amount.
바람직하게, 상기 설정된 히터 최소출력량으로 상기 최종 제어를 충분히 수행하는 것으로 판단되면, 상기 설정된 히터 최소출력량을 최종 히터 최소출력량으로 설정한다.Preferably, when it is determined that the final control is sufficiently performed at the set heater minimum output amount, the set heater minimum output amount is set as the final heater minimum output amount.
또한, 상기의 목적은, 냉매 경로에 설치된 증발기에서 반도체 공정설비에 제공되는 브라인과 열 교환이 이루어지는 칠러 장치에 적용되며, 브라인 펌프의 발열량을 산출하는 단계; 브라인 히터의 최소 출력량을 설정하는 단계; 상기 산출된 펌프 발열량과 상기 히터 최소 출력량에 기초하여 냉각제어 설정값을 산출하는 단계; 상기 산출된 냉각제어 설정값에 기초하여 상기 증발기 전단에 설치된 팽창밸브의 개도를 조절하여 상기 브라인의 냉각제어를 수행하는 단계; 및 상기 설정된 히터 최소 출력량으로 상기 냉각제어된 브라인의 가열 보상제어를 수행하여 최종 제어를 수행하는 단계를 포함하는 칠러 장치의 온도제어방법에 의해 달성된다.In addition, the above object is applied to a chiller device in which heat exchange is performed with a brine provided to a semiconductor process facility in an evaporator installed in a refrigerant path, calculating a calorific value of a brine pump; Setting a minimum output amount of the brine heater; Calculating a cooling control set value based on the calculated pump heating value and the heater minimum output amount; Performing cooling control of the brine by adjusting an opening degree of an expansion valve installed at the front end of the evaporator based on the calculated cooling control set value; And performing final control by performing heating compensation control of the cooling-controlled brine with the set heater minimum output amount.
바람직하게, 상기 펌프 발열량은 다음의 식에 의해 산출된다.Preferably, the pump calorific value is calculated by the following equation.
QPUMP = G ×C ×(PVRTD1 - PVRTD4)Q PUMP = G × C × (PV RTD1 -PV RTD4 )
여기서, PVRTD1는 브라인 공급단에 설치된 온도감지센서에 의한 온도 측정값(℃)이고, PVRTD4는 상기 펌프 전단에 설치된 온도감지센서에 의한 온도 측정값(℃)이며, G는 브라인 순환량(㎏/h)이고, C는 브라인의 비열(㎉/㎏℃)이다.Here, PV RTD1 is the temperature measured value (℃) by the temperature sensor installed at the brine supply stage, PV RTD4 is the temperature measured value (℃) by the temperature sensor installed at the front of the pump, and G is the brine circulation amount (kg / h), and C is the specific heat of brine (dl / kg 占 폚).
또한, 바람직하게, 상기 냉각제어 설정값의 산출은 다음의 식에 의해 산출된다.Further, preferably, the calculation of the cooling control set value is calculated by the following equation.
QT = QH /T + QPUMP = G×C×(PVRTD1-PVRTD3)Q T = Q H / T + Q PUMP = G × C × (PV RTD1 -PV RTD3 )
여기서, QH /T는 상기 설정된 히터 최소출력량을 나타내고, QPUMP는 펌프모터에 의한 발열량이며, QT는 히터 최소출력량과 펌프 발열량의 합을 나타내는 총 부하량으로, PVRTD1과 PVRTD3은 각각 최종제어 설정값인 SVRTD1과 냉각제어 설정값인 SVRTD3이다.Here, Q H / T represents the set minimum heater output amount, Q PUMP is the heat generation amount by the pump motor, Q T is the total load amount indicating the sum of the heater minimum output amount and the pump heating value, PV RTD1 and PV RTD3 are respectively final of a SV RTD3 control set value SV of RTD1 and cooling control settings.
상기의 방법에 의하면, 온도보상용 히터의 출력을 최적으로 제어하여 전력소비를 줄일 수 있다.According to the above method, power consumption can be reduced by optimally controlling the output of the temperature compensating heater.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 방법을 적용하기 위한 브라인 경로를 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a brine path for applying the method of the present invention.
반도체 공정용 설비를 빠져나온 브라인은 증발기(150)에서 냉매와의 열교환을 수행한 후, 탱크(160)에서 브라인 히터(162, 164) 중 어느 하나 또는 양자에 의해 온도보상 가열되고, 브라인 펌프(170)에 의해 반도체 공정용 설비로 유입되는 경로를 형성한다.After brine exiting the semiconductor processing equipment is heat-exchanged with the refrigerant in the
브라인 입력단과 출력단에는 각각 온도감지센서 RTD2와 RTD1이 설치되고, 증발기 출력단에는 온도감지센서 RTD3, 그리고 브라인 펌프(170)의 전단에는 온도감지센서 RTD4가 설치된다.Temperature sensing sensors RTD2 and RTD1 are installed at the brine input and output stages, respectively, temperature sensing sensor RTD3 is installed at the evaporator output stage, and temperature sensing sensor RTD4 is installed at the front end of the
본 발명에 따르면, 브라인은 냉매 냉각제어와 히터 가열보상 제어를 통하여 최종제어 설정값으로 반도체 장비에 공급되며, 이 과정에서 히터의 최소 출력제어가 이루어진다. According to the present invention, the brine is supplied to the semiconductor equipment as the final control set value through the refrigerant cooling control and the heater heating compensation control, in this process the minimum output control of the heater is made.
도 3은 본 발명에 따른 온도제어방법을 나타내는 플로차트이다.3 is a flowchart showing a temperature control method according to the present invention.
선택적으로, 브라인 펌프(170)의 발열량을 계산한다. 다시 말해, 브라인 펌프(170) 구동시 모터 발열에 의한 부하를 고려하기 위해서 발열량을 계산한다(단계 S31). 현장의 배관 저항에 따라 펌프 운전조건이 변할 경우 펌프의 모터 발열부하는 온도제어에 큰 영향을 미칠 수 있다.Optionally, the calorific value of the
브라인 펌프의 발열량은 다음의 식으로 구할 수 있다.The calorific value of the brine pump can be obtained by the following equation.
QPUMP = G ×C ×(PVRTD1 - PVRTD4) .................................... (1)Q PUMP = G × C × (PV RTD1 -PV RTD4 ) ..................... (1)
여기서, PVRTD1는 온도감지센서 RTD1(110)에 의한 온도 측정값(℃)이고, PVRTD4는 온도감지센서 RTD4(140)에 의한 온도 측정값(℃)이며, G는 브라인 순환량(㎏/h)이고, C는 브라인의 비열(㎉/㎏℃)이다.Here, PV RTD1 is the temperature measurement value (° C) by the temperature sensor RTD1 110, PV RTD4 is the temperature measurement value (° C) by the temperature sensor RTD4 (140), and G is the brine circulation amount (kg / h ) And C is the specific heat (B / kg ° C) of the brine.
다음, 히터 최소출력량(W)을 설정한다(단계 S32). 즉, 작업자는 설치된 히터(162, 164)의 용량을 고려하여 적절한 설정값을 입력한다. 여기서, 히터(162, 164)는 가령 1.0㎾와 2.0㎾로 두 대를 설치하여 외부 부하에 충분히 대응할 수 있도록 할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 어느 하나의 히터를 설치할 수 있다.Next, the heater minimum output amount W is set (step S32). That is, the operator inputs an appropriate setting value in consideration of the capacity of the
예를 들어, 1.0㎾의 히터를 설치한 경우, 작업자는 히터 최소출력량(W)으로 20W를 설정할 수 있다.For example, in the case of installing a heater of 1.0 kW, the operator can set 20W as the heater minimum output amount (W).
이어 냉각제어 설정값을 산출한다(단계 S33). 냉각제어 설정값은 증발기(150)를 통해 냉매에 의해 냉각 제어된 브라인의 온도 설정값을 나타낸다. 냉각제어 설정값은 다음의 식으로 구할 수 있다.The cooling control set value is then calculated (step S33). The cooling control set value represents a temperature set value of the brine that is controlled by the refrigerant through the
바람직하게, 상기 냉각제어 설정값(SVRTD3)의 산출은 다음의 식에 의해 산출된다.Preferably, the calculation of the cooling control set value SV RTD3 is calculated by the following equation.
QT = QH /T + QPUMP ................................................... (2)Q T = Q H / T + Q PUMP ..................................... ......... (2)
G×C×(PVRTD1-PVRTD3)=[G×C×(PVRTD4-PVRTD3)]+[G×C×(PVRTD1-PVRTD4)]G × C × (PV RTD1 -PV RTD3 ) = [G × C × (PV RTD4 -PV RTD3 )] + [G × C × (PV RTD1 -PV RTD4 )]
여기서, QH /T는 단계 S32에서 설정된 히터 최소출력량을 나타내고, QPUMP는 펌 프모터에 의한 발열량이며, QT는 히터 최소출력량과 펌프 발열량의 합을 나타내는 총 부하량이다.Here, Q H / T represents the heater minimum output amount set in step S32, Q PUMP is the heat generation amount by the pump motor, and Q T is the total load amount indicating the sum of the heater minimum output amount and the pump heat generation amount.
구체적으로, 상기 식(2)에서 PVRTD1와 PVRTD3는 온도 제어되는 조건으로 가정했을 때, PVRTD1=SVRTD1와 PVRTD3=SVRTD3 조건이 성립된다. 반도체 장비에서 제어하고자 입력하는 설정온도는 SVRTD1이며, SVRTD1=PVRTD1 조건에 의해 위의 산출식에서 PVRTD1 값으로 대체될 수 있으며, 설정된 히터 최소출력량(QH /T)과 상기 식(1)에서 센서 측정값 PVRTD1과 PVRTD4에 기초하여 산출되는 펌프 발열량(QPUMP)을 근거로 식(2)에 의해 PVRTD3를 구하며 PVRTD3=SVRTD3 조건하에 냉각제어 설정값인 SVRTD3을 도출할 수 있다.Specifically, when the PV RTD1 and PV RTD3 are assumed to be temperature controlled in Equation (2), the conditions PV RTD1 = SV RTD1 and PV RTD3 = SV RTD3 are established. The set temperature input to control in semiconductor equipment is SV RTD1 , SV RTD1 = PV RTD1 It can be replaced by the PV RTD1 value in the above calculation by the condition, and the pump heating value (Q) calculated based on the set heater minimum output amount (Q H / T ) and the sensor measured values PV RTD1 and PV RTD4 in the above formula (1). by asking for PV RTD3 with the PUMP) based on the equation (2) can be derived SV RTD3 of PV RTD3 = SV RTD3 cooling control under the conditions set value.
다음, 산출된 냉각제어 설정값 SVRTD3에 기초하여 증발기(150) 전단에 설치된 팽창밸브(180)의 개도를 조절하여 냉각제어를 수행한다(단계 S34). 이때, 증발기(150)의 출력단에 설치된 온도감지센서 RTD3에 의해 검출된 측정값이 피드백되고 제어부(미도시)에서는 이를 냉각제어 설정값 SVRTD3과 비교하여 팽창밸브(180)의 개도를 조절한다.Next, the cooling control is performed by adjusting the opening degree of the
이어 냉각제어된 브라인에 대해 브라인 히터(162, 164)를 이용하여 가열보상 출력제어를 수행하여 최종제어 설정값으로 온도 제어를 한다(단계 S35). 즉, 단계 S32에서 설정한 히터 최소출력량으로 최종제어 설정값의 온도제어를 수행한다. 바람직하게, 히터제어시 온도제어 안정성을 확보하기 위해서 히터 최소출력량에 보정 계수를 적용할 수 있다.Subsequently, heating compensation output control is performed using the
상기와 같은 과정을 통하여 설정된 히터 최소출력량이 최종제어 설정값으로 온도 제어를 충분히 할 수 있는 것으로 판단되면, 단계 S32에서 설정한 히터 최소출력량을 최종 히터 최소출력량으로 설정하지만, 그렇지 않은 경우에는 히터 최소출력량의 설정값을 변경하여 상기의 단계를 반복하여 진행한다.If it is determined that the minimum heater output amount set through the above process is sufficient to control the temperature to the final control set value, the heater minimum output amount set in step S32 is set as the final heater minimum output amount, otherwise the heater minimum value is set. Change the setting value of the output quantity and repeat the above steps.
이러한 과정을 반복함으로써, 최적의 히터 최소출력량을 설정함으로써 히터 출력에 의한 전력 소비를 최소화할 수 있다.By repeating this process, it is possible to minimize the power consumption by the heater output by setting the optimum heater minimum output amount.
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.In the above description, the embodiment of the present invention has been described, but various changes can be made at the level of those skilled in the art. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited to the above embodiment, but should be interpreted by the claims described below.
도 1은 종래의 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치의 한 예를 나타내는 계통도이다. 1 is a system diagram showing an example of a chiller apparatus for a conventional semiconductor processing equipment.
도 2는 본 발명의 방법을 적용하기 위한 브라인 경로를 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a brine path for applying the method of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 온도제어방법을 나타내는 플로차트이다.3 is a flowchart showing a temperature control method according to the present invention.
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KR20200129985A (en) | 2019-05-10 | 2020-11-18 | (주)티티에스 | Chiller apparatus for semiconductor process |
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