KR101309588B1 - 루프 히트파이프 기반 전기로 - Google Patents

루프 히트파이프 기반 전기로 Download PDF

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Abstract

본 발명의 내부에 작동유체(150) 유동에 의해 열을 전달하는 전기로(100)에 있어서, 히터(112)와, 상기 히터(112)로 열에너지를 전달받아 상기 작동유체(150)를 가열하는 윅(111)을 포함하는 증발기(110), 상기 증발기(110)의 상부에 위치하며 상기 윅(111)으로부터 열을 받아 기화되어 액상 유체(151)와 기체상 유체(152)가 혼합된 형태로 된 상기 작동유체(150)를 수용하는 보상실(120), 상기 증발기(110)로부터 생성되는 상기 기체상 유체(152)가 토출되는 유체 토출부(113), 상기 유체 토출부(113)로부터 상기 기체상 유체(152)를 공급받는 증기유동균일화장치(130), 상기 증기유동균일화장치(130)에서 토출된 상기 기체상 유체(152)를 냉각시키는 쿨링재킷(140), 및 상기 쿨링재킷(140)에서 냉각되는 상기 액상 유체(151)가 상기 보상실(120)로 유입되는 유체 유입부(121);를 포함하고, 상기 증기유동균일화장치(130)의 내부에 적어도 하나 이상의 수용부(133)를 포함하고 있어, 상기 수용부(133)에 수용되어 있는 피가열체를 가열하는 것을 특징으로 한다.

Description

루프 히트파이프 기반 전기로{electric furnace based on loop heat pipe}
본 발명은 루프 히트파이프 기반 전기로에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부 작동유체를 가열하여 기체상 유체를 사용하여 피가열체를 가열하는 전기로에 관한 것이다.
근래에 반도체 장치의 제조 기술은 정보 통신 기술의 비약적인 발전에 따라 집적도, 신뢰도 및 처리 속도 등을 향상시키는 방향으로 발전되고 있다. 상기 반도체 장치는 실리콘 단결정으로부터 반도체 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼를 제작하고, 상기 반도체 기판 상에 막을 형성하고, 상기 막을 전기적 특성을 갖는 패턴으로 형성함으로서 제조된다.
상기 패턴들은 막 형성, 사진 식각, 연마, 이온 주입 등의 단위 공정들의 선택적 또는 반복적 수행에 따라 형성된다. 상기와 같은 단위 공정들의 수행에 있어서, 공정 챔버 또는 반도체 기판의 온도 등은 공정의 중요한 인자로서, 0.15㎛이하의 디자인 룰(design rule)을 요구하는 최근의 반도체 장치 제조 공정에서는 특히 중요한 제어 변수로 대두되고 있다.
또한, 고정밀 온도 교정은 온도를 기반으로 하는 산업 및 과학기술연구 분야에 있어서 제품 및 연구결과의 신뢰성 제고를 위해 선결되어야 하는 필수조건이다. 이러한 고정밀 온도 교정을 위해서는 다양한 측정 기술 및 기기의 신뢰도를 향상시키는 것이 필요하나, 초고정밀 교정에 요구되는 측정기기의 경우 관련기술의 한계로 인해 요구되는 신뢰성을 달성하기 어렵다.
특히, 온도 교정에 있어서 가장 중요한 기기 중 하나인 전기로의 경우 온도측정 및 교정의 신뢰도를 높이기 위해 온도계가 설치되는 공간 내 온도구배를 가능한 균일하게 유지시키는 것이 중요하나, 재료의 물리적 특성 및 한계로 인해 균일한 온도분포를 유지하기 어렵다.
종래의 전기로는 온도구배를 줄이기 위해 열전도도가 높은 금속재를 사용하고, 열을 가하는 히터를 복수개 설치하여 균일한 온도를 유지시키려 하였으나, 구조가 복잡해지고, 전기로의 길이방향으로 온도구배가 발생하여 온도계 설치부 내에서 약 0.5 ~ 1.0 mK의 온도차가 발생하는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제 10-862552호 "고정밀 등온 가열로용 이중관 환형 히트 파이프"는 히트파이프를 이용하여 상술된 문제점을 해결하려고 했다.
도 1은 종래의 히트 파이프 가열로(10)의 단면도이다.
종래 발명의 이중관 환형 히트 파이프(10)는 내측 파이프(12)와 외측 파이프(14)의 이중관 구조를 이루는 환형의 밀폐용기로서, 내측 파이프(12)와 외측 파이프(14)사이에 환상공간에 적절한 구조물의 모세관 구조물의 윅으로 구성되며, 내외측 파이프(12)(14)는 스테인레스강을 사용하였으며, 작동유체로서, 임계온도이하의 작동온도를 유지할 수 있도록 하기 위하여 액체금속이 요구됨에 따라, 나트륨, 칼륨, 리튬등의 알칼리 금속을 사용하였다.
상기 모세관 구조물(20)은 내측 파이프(12)의 외면과 외측 파이프(14)의 내면을 둘러싸는 환형부(22)와, 각 파이프(12,14)의 외면과 내면의 환형부(22)를 서로 등간격으로 수직으로 연결하여, 각 환형부(22)사이에 복수개의 연통공간(24)을 형성하는 연결부(26)로 구성되었다.
이중관 환형 히트 파이프(10)는 외측 파이프(14)의 외측면에 가열원을 설치함으로서, 외측 파이프(14)의 외면을 통하여 열이 들어가서(
Figure 112011065968257-pat00001
), 내측 파이프(12)의 내면으로 열이 나가게 됨에 따라(
Figure 112011065968257-pat00002
), 내측 파이프(12)의 내면에서 응축이 발생하여 등온벽면을 이루게 되며 피가열체의 등온 가열원이 되었다.
그러나, 종래 발명은 환형 히트 파이프(10)는 증발된 기상 작동유체와 응축된 액상의 작동유체가 서로 접촉하여 반대 방향으로 유동하는 특성을 가지고 있어, 높은 열유속의 열이 가해질 경우, 증발부로의 액상작동유체 이송을 억제하여 증발부가 말라버리는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 히트 파이프(10)의 경우 구조상의 한계로 인해 작동유체의 증발이 상대적으로 온도가 낮은 상기 윅의 내측면에서 발생하므로, 높은 열유속이 가해질 시 온도가 높은 상기 윅의 외측면에 증기막이 형성되어 증발부가 마르게 되는 문제점이 있었다.
또한, 이러한 현상이 발생될 경우, 히트 파이프는 불안정한 운전특성을 보이며, 내부의 온도가 정상상태를 벗어나 지속적으로 상승하게 되어 온도계 교정의 정확성을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 히트파이프의 경우 용기의 내벽을 따라 상기 모세관 구조물(10)이 연속적으로 위치하는데, 이는 액상의 작동유체가 증발부로 이송될 경우 불필요한 압력손실을 야기하여 히트파이프의 운전온도 범위를 제한하는 문제점이 있었다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허 제 10-0862552호에 개시되어 있다.
대한민국 등록특허공보 제 10-0862552호(2008.10.02)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해소하려는 것으로, 더욱 상세하게 윅에 의한 과도한 압력손실을 최소화하고, 작동유체의 혼입 및 증기막 형성에 의한 작동유체 공급부족을 방지하여 온도분포를 균일하게 제공하는 루프 히트파이프 기반 전기로를 제공하려는데 그 목적이 있다.
본 발명의 내부에 작동유체(150) 유동에 의해 열을 전달하는 전기로(100)에 있어서, 히터(112)와, 상기 히터(112)로 열에너지를 전달받아 상기 작동유체(150)를 가열하는 윅(111)을 포함하는 증발기(110), 상기 증발기(110)의 상부에 위치하며 상기 윅(111)으로부터 열을 받아 기화되어 액상 유체(151)와 기체상 유체(152)가 혼합된 형태로 된 상기 작동유체(150)를 수용하는 보상실(120), 상기 증발기(110)로부터 생성되는 상기 기체상 유체(152)가 토출되는 유체 토출부(113), 상기 유체 토출부(113)로부터 상기 기체상 유체(152)를 공급받는 증기유동균일화장치(130), 상기 증기유동균일화장치(130)에서 토출된 상기 기체상 유체(152)를 냉각시키는 쿨링재킷(140), 및 상기 쿨링재킷(140)에서 냉각되는 상기 액상 유체(151)가 상기 보상실(120)로 유입되는 유체 유입부(121);를 포함하고, 상기 증기유동균일화장치(130)의 내부에 적어도 하나 이상의 수용부(133)를 포함하고 있어, 상기 수용부(133)에 수용되어 있는 피가열체를 가열하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증기유동균일화장치(130)는 원통형으로 제작되되, 상기 증기유동균일화장치(130)의 하부에 연결되어 상기 기체상 유체(152)가 유입되는 증기 유입부(131), 상기 증기유동균일화장치(130)의 상부에 연결되어 상기 기체상 유체(152)가 배출되는 증기 배출부(132), 상기 증기유동균일화장치(130)의 상면이 함몰되어 형성되는 상기 수용부(133)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증기유동균일화장치(130)는 상기 증기 배출부(132)의 하부에 내측으로 돌출되고, 상기 기체상 유체(152)가 유동하는 통로를 줄이는 차단부(134)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 윅(111)은 평판형으로 형성되고, 상기 윅(111)의 하부에 상기 히터(112)가 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 루프 히트파이프 기반 전기로(100)는 상기 유체유입부(121)와 상기 윅(111)의 사이 거리가 상기 유체유입부(121) 폭의 0.5~2배 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 윅(111)은 상부가 개방되어 있는 중공형의 원통으로 형성되고, 상기 윅(111)의 외주면에 상기 히터(112)가 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 윅(111)의 중공부에 상기 유체 유입부(121)가 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 루프 히트파이프 기반 전기로는 루프 히트파이프를 사용하여 열이 유입되는 부분에만 선택적으로 윅을 위치함으로써 윅에 의한 과도한 압력손실을 최소화하고, 기체상 유체와 액상 유체가 서로 분리된 관을 이동함으로써, 작동유체의 혼입에 의한 작동유체 공급부족을 방지함과 동시에 윅의 외측면에서 작동유체의 증발을 유도함으로써 온도분포를 균일하게 제공하는 루프 히트파이프 기반 전기로를 제공한다.
도 1은 종래의 히트파이프 전기로
도 2는 본 발명의 루프 히트파이프 기반 전기로 개략도
도 3은 본 발명의 루프 히트파이프 기반 전기로 다른 실시예 개략도
도 4는 본 발명의 루프 히트파이프 기반 전기로의 증기유동균일화장치 사시도
도 5는 본 발명의 루프 히트파이프 기반 전기로의 증기유동균일화장치 단면도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 2를 이용하여 본 발명의 전기로(100)의 형태와 구성에 대해서 설명한다.
본 발명의 전기로(100)는 증발기(110), 보상실(120), 증기유동균일화장치(130), 쿨링 재킷(140), 및 작동유체(150)를 포함한다.
상기 증발기(110)는 히터(112)와 윅(111)을 포함하되, 상기 히터(112)는 열에너지를 공급하는 역할을 하며, 상기 윅(111)은 상기 히터(112)로 열에너지를 전달받아 상기 작동유체(150)를 가열하여 액상 유체(151)를 기체상 유체(152)로 상변화하는 역할을 한다.
또한, 상기 윅(111)은 다공질 모양의 평판형으로 형성되어, 표면적이 넓어 빠르게 열을 전달할 수 있는 것이 바람직하다.
이때, 상기 윅(111)은 상기 히터(112)를 통해 열이 유입되는 부분에 위치함으로서 윅(111)에 의한 과도한 압력손실을 최소화할 수 있다.
또한, 상기 증발기(110)로부터 생성되는 상기 기체상 유체(152)가 토출되는 유체 토출부(113)가 연통되어 있다.
상기 보상실(120)은 상기 증발기(110)의 상부에 위치하며, 상기 윅(111)으로부터 열을 받아 기화되어 액상 유체(151)와 기체상 유체(152)가 혼합된 형태로 된 상기 작동유체(150)를 수용한다.
상기 증기유동균일화장치(130)는 상기 유체 토출부(113)로부터 상기 기체상 유체(152)를 공급받고, 내부에 적어도 하나 이상의 수용부(133)를 포함하고 있어, 상기 수용부(133)에 수용되어 있는 피가열체를 가열한다.
상기 쿨링 재킷(140)은 상기 증기유동균일화장치(130)에서 토출된 상기 기체상 유체(152)를 냉각하여 액상 유체(151)로 상변화하게 된다.
상기 쿨링 재킷(140)에 의해 냉각된 상기 액상 유체(151)는 유체 유입부(131)를 통해 상기 보상실(120)로 다시 유입된다.
또한, 상기 액상 유체(151)가 균일하게 퍼지기 위해 상기 유체 유입부(131)와 상기 윅(111)의 사이거리가 상기 유체 유입부(131) 폭의 0.5~2배 이격되어 있는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 상기 작동유체(150)가 열을 받아 기화되어 액상 유체(151)가 기체상 유체(152)로 되고, 상기 기체상 유체(152)가 상기 증기유동균일화장치(130)에 공급되어, 상기 수용부(133)에서 균일한 온도를 가지는 등온부가 형성되어 균일한 온도를 제공할 수 있다.
도 3을 이용하여 본 발명의 전기로(100)의 다른 실시 예에 대해서 설명한다.
상기 윅(111)은 상부가 개방되어 있는 중공형의 원통으로 형성되고, 상기 윅(11)의 외주면에 상기 히터(112)가 위치할 수 있다.
상기 윅(111)이 상부가 개방되어 있는 중공형의 원통으로 형성되어 상기 증발기의 외주면에 위치한 상기 히터(112)로부터 열을 전달받아 상기 액상 유체(151)를 가열하여 상기 기체상 유체(152)로 상변화 한다.
이때, 상기 유체 유입부(121)가 상기 윅(111)의 중공부에 삽입되어 있되, 중공부의 바닥면에 닿지 않아 상기 작동유체(150)가 원활히 유입되도록 설치되는 것이 바람직하다.
도 4와 도 5를 이용하여 본 발명의 증기유동균일화장치(130)의 형태와 구조에 대해서 설명한다.
상기 증기유동균일화장치(130)는 원통형으로 제작되되, 증기 유입부(131), 증기 배출부(132), 수용부(133), 차단부(134)를 포함한다.
상기 증기 유입부(131)는 상기 증기유동균일화장치(130)의 하부에 위치하여, 상기 기체상 유체(152)가 상기 증기유동균일화장치(130) 내부로 유입된다.
상기 증기 배출부(132)는 상기 증기유동균일화장치(130)의 상부에 위치하여, 상기 기체상 유체(152)가 배출된다.
상기 수용부(133)는 상기 증기유동균일화장치(130)의 상면이 함몰되어 형성되어, 파가열체를 수용하는 공간을 형성하게 된다.
또한, 상기 차단부(134)는 상기 증기 배출부(132)의 하부에 내측으로 돌출되고, 상기 기체상 유체(152)가 유동하는 통로를 줄이는 역할을 한다.
즉, 상기 증기 유입부(131)에서 유입 된 상기 기체상 유체(152)가 상부 방향으로 이동되면서 상기 수용부(133)를 가열하게 되고, 상기 차단부(134)에서 상기 기체상 유체(152)가 유로가 변경되어 상기 차단부(134)의 하부에서 더 효율적으로 가열되며, 균일한 운동을 하게 된다.
또한, 상기 증기유동균일화장치(130)는 상기 증기 유입부(131)의 상부는 원뿔대형상으로 하부에서 상부로 상기 기체상 유체(152)가 이동하는 통로가 점차 넓어져 상기 기체상 유체(152)가 원활히 퍼지도록 하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 루프 히트파이프 기반 전기로(100)는 루프 히트파이프를 사용하여 열이 유입되는 부분에만 선택적으로 상기 윅(111)을 위치함으로써 상기 윅(111)에 의한 과도한 압력손실을 최소화하고, 상기 기체상 유체(152)와 상기 액상 유체(151)가 서로 분리된 관을 이동함으로써, 상기 작동유체(150)의 혼입에 의한 상기 작동유체(150) 공급부족을 방지하여 온도분포를 균일하게 제공하는 루프 히트파이프 기반 전기로(100)를 제공한다.
100 : 전기로
110 : 증발기 111 : 윅
112 : 히터 113 : 유체 토출부
120 : 보상실
121 : 유체 유입부
130 : 증기유동균일화장치
131 : 증기 유입부 132 : 증기 배출부
133 : 수용부 134 : 차단부
140 : 쿨링 재킷 150 : 작동유체
151 : 액상 유체 152 : 기체상 유체

Claims (7)

  1. 히터(112)와, 상기 히터(112)로 열에너지를 전달받아 작동유체(150)를 가열하는 윅(111)을 포함하는 증발기(110), 상기 증발기(110)의 상부에 위치하며 상기 윅(111)으로부터 열을 받아 기화되어 액상 유체(151)와 기체상 유체(152)가 혼합된 형태로 된 상기 작동유체(150)를 수용하는 보상실(120), 상기 증발기(110)로부터 생성되는 상기 기체상 유체(152)가 토출되는 유체 토출부(113), 상기 유체 토출부(113)로부터 상기 기체상 유체(152)를 공급받는 증기유동균일화장치(130), 상기 증기유동균일화장치(130)에서 토출된 상기 기체상 유체(152)를 냉각시키는 쿨링재킷(140) 및 상기 쿨링재킷(140)에서 냉각되는 상기 액상 유체(151)가 상기 보상실(120)로 유입되는 유체 유입부(121)를 포함하는 전기로에 있어서,
    상기 증기유동균일화장치(130)의 하부에 연결되어 상기 기체상 유체(152)가 유입되는 증기 유입부(131), 상기 증기유동균일화장치(130)의 상부에 연결되어 상기 기체상 유체(152)가 배출되는 증기 배출부(132), 상기 증기유동균일화장치(130)의 상면이 함몰되어 형성되는 수용부(133), 및 상기 증기 배출부(132)의 하부에 내측으로 돌출되고, 상기 기체상 유체(152)가 유동하는 통로를 줄이는 차단부(134)를 포함하여, 상기 수용부(133)에 수용되는 피가열체를 가열하는 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 기반 전기로.

  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 윅(111)은 평판형으로 형성되고, 상기 윅(111)의 하부에 상기 히터(112)가 위치하는 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 기반 전기로.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 루프 히트파이프 기반 전기로(100)는 상기 유체유입부(121)와 상기 윅(111)의 사이 거리가 상기 유체유입부(121) 폭의 0.5~2배 인 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 기반 전기로.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 윅(111)은 상부가 개방되어 있는 중공형의 원통으로 형성되고, 상기 윅(111)의 외주면에 상기 히터(112)가 위치하는 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 기반 전기로.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 윅(111)의 중공부에 상기 유체 유입부(121)가 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 루프 히트파이프 기반 전기로.


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