KR101347056B1 - Cooling Apparatus for growing sapphire single crystal - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치는 내부 저면에 시드 결정이 고정된 도가니의 하부에서 시드 결정이 고정된 부위로 냉매를 공급하는 냉매 공급관과, 도가니 하부를 냉각한 냉매를 배출하는 냉매 배출관이 형성된 냉매 순환부;와, 냉매 공급관의 입구와 냉매 배출관의 출구를 연결하는 내부관과, 상기 내부관의 외측을 감싸며 내부로 냉각수가 순환하는 외부관의 2중관 구조를 갖는 제1냉각부; 및, 내부에 냉각수가 채워진 상태로 상기 제1냉각부를 수용하는 냉각조가 형성된 제2냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a cooling device for sapphire single crystal production, the cooling device for sapphire single crystal production according to the present invention is a refrigerant supply pipe for supplying a refrigerant from the lower portion of the crucible with the seed crystal is fixed to the inner bottom surface fixed portion and the crucible A coolant circulation unit having a coolant discharge pipe for discharging the coolant having a lower portion, an inner pipe connecting the inlet of the coolant supply pipe and the outlet of the coolant discharge pipe, and an outer pipe surrounding the outside of the inner pipe and circulating the coolant therein A first cooling unit having a double tube structure; And a second cooling unit having a cooling tank configured to receive the first cooling unit in a state where the cooling water is filled therein.

Description

사파이어 단결정 제조용 냉각 장치{Cooling Apparatus for growing sapphire single crystal}Cooling device for sapphire single crystal manufacturing {Cooling Apparatus for growing sapphire single crystal}

본 발명은 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도가니의 내부에 설치된 시드를 냉각하는 냉매를 순환시켜 재사용함으로써 제조원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 냉각과정에서 냉매에 가해지는 열충격을 최소화시켜 냉매의 부피, 유량, 속도가 급격하게 변하는 것을 방지할 수 있는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a cooling apparatus for sapphire single crystal manufacturing, and more particularly, it is possible to reduce manufacturing costs by circulating and reusing a refrigerant cooling a seed installed in a crucible, and to minimize thermal shock applied to the refrigerant during the cooling process. The present invention relates to a sapphire single crystal cooling apparatus capable of preventing a rapid change in volume, flow rate and speed of a refrigerant.

최근 전기전자 기술의 발달과 더불어 디스플레이 분야에서 광학적 물리적 특성이 우수한 사파이어 단결정의 수요가 급증하고 있다. 알루미나 단결정인 사파이어 단결정은 빛의 투과성과 열방출이 동시에 필요한 프로젝션 TV나 LCD 모듈 기판에 사용되는 핵심소재이며, 또한 블루 LED 용 기판으로 많이 사용되고 있다.With the recent development of electric and electronic technology, the demand for sapphire single crystals having excellent optical and physical properties in the display field is rapidly increasing. The sapphire single crystal, which is an alumina single crystal, is a core material used for a projection TV or an LCD module substrate that simultaneously requires light transmittance and heat emission, and is also widely used as a substrate for blue LEDs.

그러나, 사파이어는 재료의 결정 구조상 격자이방성으로 인해 결정 성장시에 크랙이 발생하는 등의 기술적 어려움이 있어 크기와 품질의 단결정을 얻기 위한 다양한 결정 성장방법이 연구되어지고 있다.However, sapphire has technical difficulties such as cracking during crystal growth due to lattice anisotropy in the crystal structure of the material, and various crystal growth methods for obtaining single crystal of size and quality have been studied.

종래에 알려진 단결정 성장방법으로는 베르누이법, 쵸크랄스키(CZ)법, EFG 법, Bridgman 법, 열교환(HEM) 법 등이 일반적으로 사용되고 있다.As the conventional single crystal growth method, Bernoulli method, Czochralski (CZ) method, EFG method, Bridgman method, heat exchange (HEM) method and the like are generally used.

베르누이법은 알루미나 분말을 산소-수소 화염속으로 통과 시켜 용융시켜서, 용융액을 시드(Seed) 결정 위로 떨어뜨리면서 동시에 결정을 회전하강시켜서 결정을 얻는 방법이다. 이 방법은 결정성장이 쉽고 가장 저렴하게 결정을 성장시킬 수 있으나, 결정 성장과정에서 결정이 높은 열충격을 받아 균열이 발생하기 쉽고, 품질과 크기면에서 시계유리용과 장식용 이외의 용도로는 사용이 어렵다.The Bernoulli method is a method in which alumina powder is passed through an oxygen-hydrogen flame to melt, and the melt is dropped onto a seed crystal while simultaneously rotating the crystal to obtain a crystal. In this method, crystal growth is easy and crystals can be grown most inexpensively, but crystals are subjected to high thermal shock during crystal growth, and cracks easily occur, and they are difficult to use for watches and decorative purposes in terms of quality and size. .

쵸크랄스키법은 직경조절이 자유롭고 길이가 길어 생산성이 높다는 장점이 있으나, 사파이어 단결정과 같이 취성이 큰 재료의 결정 성장에서는 높은 온도구배와 결정을 회전 인상하면서 풀러(Puller)에 의해 생기는 진동이나 코어부의 응력집중으로 단결정의 직경이 제한되고, 성장 축 방향이 제한되는 등의 단점을 갖고 있다.The Czochralski method has the advantage of high productivity due to its free length adjustment and long length.However, in crystal growth of brittle materials such as sapphire single crystals, vibrations or cores caused by pullers are produced by rotating and raising the temperature gradient and crystals. Negative stress concentrations have disadvantages such as limited diameter of single crystal and limited growth axis direction.

EFG 법은 쵸크랄스키법과 유사하며, 원하는 형상의 단결정을 효과적으로 성장시킬 수 있는 방법이나, 결정 표면에 많은 결함 도입으로 인해 결정의 생산성이 그다지 높지 않으며, 결함밀도를 낮추는 것이 그 공법의 원리상 불가능한 것으로 알려져 있다.The EFG method is similar to the Czochralski method, and it is a method that can effectively grow single crystals of desired shape, but due to the introduction of many defects on the crystal surface, the productivity of the crystals is not very high, and it is impossible in principle to reduce the defect density. It is known.

열교환(HEM; Heat Exchange Method) 법은 온도가 균일한 고온부의 하단 부분에 열교환기를 설치하여 온도를 정밀하게 조절함으로써 단결정을 성장시키는 방법으로써, 단결정이 제조되는 동안 온도구배가 안정된 상태에서 성장이 일어나며, 고화시키기 위해 결정자체를 움직일 필요가 없기 때문에 직경과 품질이 가장 우수한 단결정을 성장시킬 수 있는 방법이다. 그러나, 열교환 매체로서 고가의 헬륨(He) 가스를 사용하고선 곧바로 버리기 때문에 제조원가가 지나치게 비싸다.Heat Exchange Method (HEM) is a method of growing a single crystal by precisely controlling the temperature by installing a heat exchanger at the lower end of a high temperature part where the temperature is uniform. It is a method to grow single crystals with the best diameter and quality because it does not need to move the crystal itself to solidify. However, since expensive helium (He) gas is used as a heat exchange medium, it is immediately discarded, and manufacturing cost is excessively high.

이를 해결하기 위해 간혹 열교환 매체로서 고가의 He 가스 대신에 물을 사용하고 있으나, 물이 시드 결정 하단의 고온부(약 2000도씨)를 통과할 때 액체에서 기체로의 상변화로 인한 엄청난 부피팽창으로 생기는 순간 진동이 발생하게 되고 이러한 진동은 결정에 쌍정(twin)이나, 크랙(crack) 등의 심각한 결함의 원인이 되어 고품위의 단결정을 얻기가 대단히 어렵고, 시드 결정 하단 고온부의 온도를 직접적으로 제어하지 못함으로 인한 많은 문제점들을 안고 있다.In order to solve this problem, water is sometimes used instead of expensive He gas as a heat exchange medium, but when water passes through the high temperature part (about 2000 degrees C) at the bottom of the seed crystal, due to the enormous volume expansion due to the phase change from liquid to gas. When the vibration occurs, this vibration causes serious defects such as twin or crack in the crystal, which makes it very difficult to obtain high quality single crystal, and does not directly control the temperature of the high temperature portion of the seed crystal bottom. There are many problems caused by failure.

이와 같이 물을 사용하는 기술이 대한민국 특허 공개 제2002-56247호로 개시되어 있다. 그러나, 개시된 선행기술은 시드결정 하단에 흑연재 열교환부를 두고 그 하부에 수냉되는 구리봉을 두어 흑연재 열교환부의 온도를 제어함으로써 시드 결정의 하단 온도를 제어하게 되므로 실제 시드 결정 하단의 온도와 수냉 구리봉의 온도 간에는 상당한 편차가 있어 시드 부분의 정밀한 온도 제어가 불가능하여 고품질의 단결정을 얻어내기가 어려운 문제점을 갖고 있었다.As such, a technique using water is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2002-56247. However, since the disclosed prior art has a graphite heat exchanger at the bottom of the seed crystal and a copper bar that is water-cooled at the bottom thereof to control the temperature of the graphite heat exchanger to control the bottom temperature of the seed crystal, the temperature of the bottom of the seed crystal and the water-cooled copper rod are controlled. There was a significant deviation between the temperatures, which makes it impossible to precisely control the temperature of the seed portion, making it difficult to obtain high quality single crystals.

선행기술 1. 대한민국 등록특허 제10-0573525호Prior Art 1. Korean Patent No. 10-0573525 선행기술 2. 대한민국 공개특허 제10-2002-56247호Prior Art 2. Korean Patent Publication No. 10-2002-56247

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 도가니의 내부에 설치된 시드를 냉각하는 냉매를 순환시켜 재사용함으로써 제조원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 냉매의 냉각과정에서 냉매에 가해지는 열충격을 최소화시켜 냉매의 부피, 유량, 속도가 급격하게 변하는 것을 방지할 수 있는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치를 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve such a conventional problem, by reducing the manufacturing cost by circulating and reusing the refrigerant for cooling the seed installed in the crucible, and added to the refrigerant in the cooling process of the refrigerant It is to provide a cooling device for sapphire single crystal manufacturing that can minimize the thermal shock to prevent the refrigerant from changing rapidly in volume, flow rate, and speed.

또한, 헬륨가스가 안정적으로 냉각되도록 함으로써 순환배관 내에서 열충격에 의해 급격하게 수축하거나, 순환속도가 변하는 것을 방지할 수 있는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치를 제공함에 있다.In addition, it is to provide a cooling apparatus for producing sapphire single crystal that can be prevented from rapidly contracting or changing the circulation rate by thermal shock in the circulation pipe by allowing the helium gas to be cooled stably.

또한, 냉각부로 공급되는 가열된 헬륨가스의 온도와 냉각부에서 배출되는 냉각된 헬륨가스의 온도를 각각 측정하고, 이러한 측정값에 따라 냉각수의 유량을 조절함으로써 헬륨가스의 공급온도가 일정하게 유지되도록 할 수 있는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치를 제공함에 있다.In addition, by measuring the temperature of the heated helium gas supplied to the cooling unit and the temperature of the cooled helium gas discharged from the cooling unit, and by adjusting the flow rate of the cooling water according to these measured values so that the supply temperature of the helium gas is kept constant The present invention provides a cooling device for producing sapphire single crystal.

또한, 냉매 공급관과 냉매 배출관의 연결부위에서 냉매 배출관의 단부 내측 모서리에 곡면부를 형성함으로써 냉매의 방향이 전환되는 부분에서 난류 형성을 억제할 수 있는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치를 제공함에 있다.In addition, the present invention provides a cooling device for sapphire single crystal manufacturing that can suppress the formation of turbulence in the portion where the direction of the refrigerant is changed by forming a curved portion at the inner edge of the end of the refrigerant discharge pipe at the connection portion between the refrigerant supply pipe and the refrigerant discharge pipe.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 내부 저면에 시드 결정이 고정된 도가니의 하부에서 시드 결정이 고정된 부위로 냉매를 공급하는 냉매 공급관과, 도가니 하부를 냉각한 냉매를 배출하는 냉매 배출관이 형성된 냉매 순환부;와, 냉매 공급관의 입구와 냉매 배출관의 출구를 연결하는 내부관과, 상기 내부관의 외측을 감싸며 내부로 냉각수가 순환하는 외부관의 2중관 구조를 갖는 제1냉각부; 및, 내부에 냉각수가 채워진 상태로 상기 제1냉각부를 수용하는 냉각조가 형성된 제2냉각부;를 포함하는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치에 의해 달성된다.The above object is, according to the present invention, a refrigerant supply pipe for supplying a refrigerant from the lower portion of the crucible with the seed crystal is fixed to the inner bottom surface and the refrigerant discharge pipe for discharging the refrigerant cooling the lower portion of the crucible A first cooling unit having a double tube structure of an inner tube connecting the inlet of the refrigerant supply pipe and the outlet of the refrigerant discharge pipe, and an outer tube surrounding the outside of the inner tube and circulating the coolant therein; And a second cooling unit having a cooling tank accommodating the first cooling unit in a state where the cooling water is filled therein.

여기서, 상기 냉매 공급관과 냉매 배출관의 연결부위는 2중관 구조로 이루어지며, 외측에 배치되는 냉매 배출관의 단부는 마감되고, 상기 냉매 매출관의 내부에 배치된 냉매 공급관의 단부는 개방되어 냉매 배출관의 단부로부터 이격 배치되며, 상기 냉매 배출관의 마감된 단부의 내측 테두리에 곡면부가 형성되는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.Here, the connection portion between the refrigerant supply pipe and the refrigerant discharge pipe has a double pipe structure, the end of the refrigerant discharge pipe disposed on the outside is finished, the end of the refrigerant supply pipe disposed inside the refrigerant sales pipe is opened to the Spaced apart from the end, it is preferable that the curved surface portion is formed on the inner edge of the closed end of the refrigerant discharge pipe.

또한, 상기 제1냉각부의 내부관의 양단부에 각각 설치되어 공급측 냉매와 배출측 냉매의 온도를 측정하는 온도센서;를 더 포함하는 것이 바람직하다.The apparatus may further include a temperature sensor installed at both ends of the inner tube of the first cooling unit to measure the temperature of the supply refrigerant and the discharge refrigerant.

또한, 상기 온도센서의 측정온도에 따라 제1냉각부의 외부관으로 공급되는 냉각수의 공급량을 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.In addition, the control unit for adjusting the supply amount of the cooling water supplied to the outer tube of the first cooling unit in accordance with the measured temperature of the temperature sensor;

또한, 상기 제1냉각부의 냉각수 입구측에 배치되어 제어부의 제어신호에 의해 냉각수의 공급량을 조절하는 공급펌프;를 더 포함하는 것이 바람직하다.The apparatus may further include a supply pump disposed at the cooling water inlet side of the first cooling unit to adjust the supply amount of the cooling water according to a control signal of the controller.

본 발명에 따르면, 따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 도가니의 내부에 설치된 시드를 냉각하는 냉매를 순환시켜 재사용함으로써 제조원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 냉매의 냉각과정에서 냉매에 가해지는 열충격을 최소화시켜 냉매의 부피, 유량, 속도가 급격하게 변하는 것을 방지할 수 있는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치가 제공된다.According to the present invention, therefore, an object of the present invention is to solve such a conventional problem, and it is possible to reduce the manufacturing cost as well as reduce the manufacturing cost by circulating and reusing the refrigerant for cooling the seeds installed inside the crucible. Provided is a cooling device for sapphire single crystal manufacturing that can minimize the thermal shock applied to the refrigerant in the process to prevent the refrigerant from changing rapidly in volume, flow rate, and speed.

또한, 헬륨가스가 안정적으로 냉각되도록 함으로써 순환배관 내에서 열충격에 의해 급격하게 수축하거나, 순환속도가 변하는 것을 방지할 수 있는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치가 제공된다.In addition, there is provided a sapphire single crystal cooling device capable of preventing the helium gas to be stably cooled by the thermal shock in the circulation pipe, or to prevent the circulation speed is changed.

또한, 냉각부로 공급되는 가열된 헬륨가스의 온도와 냉각부에서 배출되는 냉각된 헬륨가스의 온도를 각각 측정하고, 이러한 측정값에 따라 냉각수의 유량을 조절함으로써 헬륨가스의 공급온도가 일정하게 유지되도록 할 수 있는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치가 제공된다.In addition, by measuring the temperature of the heated helium gas supplied to the cooling unit and the temperature of the cooled helium gas discharged from the cooling unit, and by adjusting the flow rate of the cooling water according to these measured values so that the supply temperature of the helium gas is kept constant There is provided a cooling device for producing sapphire single crystal.

또한, 냉매 공급관과 냉매 배출관의 연결부위에서 냉매 배출관의 단부 내측 모서리에 곡면부를 형성함으로써 냉매의 방향이 전환되는 부분에서 난류 형성을 억제할 수 있는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치가 제공된다.Further, a cooling device for producing sapphire single crystal which can suppress turbulence formation at a portion where the direction of the refrigerant is switched by forming a curved portion at an inner corner of the end portion of the refrigerant discharge pipe at a connection portion between the refrigerant supply pipe and the refrigerant discharge pipe.

도 1은 본 발명 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치의 단면도,
도 2는 도 1의 "A"부분의 확대단면도이고,
도 3은 본 발명 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치의 제어도이다.1 is a cross-sectional view of a cooling device for producing sapphire single crystal of the present invention;
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of part “A” of FIG. 1;
3 is a control diagram of a cooling apparatus for producing sapphire single crystal of the present invention.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.Prior to the description, components having the same configuration are denoted by the same reference numerals as those in the first embodiment. In other embodiments, configurations different from those of the first embodiment will be described do.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a cooling apparatus for producing sapphire single crystal according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부도면 중 도 1은 본 발명 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치의 단면도이고, 도 2는 도 1의 "A"부분의 확대단면도이다.1 is a cross-sectional view of the cooling apparatus for producing sapphire single crystal of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of part "A" of FIG.

상기 도면에서 도시하는 바와 같은 본 발명 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치는 헬륨가스와 같은 냉매를 순환하는 냉매 순환부(110)와, 냉매 순환부(110)와 연결되어 냉매를 냉각시키는 제1냉각부(120) 및 제2냉각부(130)와, 온도센서(123,123')와, 공급펌프(124)와, 제어부(140)를 포함하여 구성된다. The sapphire single crystal cooling apparatus of the present invention as shown in the drawings is a refrigerant circulation unit 110 for circulating a refrigerant, such as helium gas, and a first cooling unit 120 connected to the refrigerant circulation unit 110 to cool the refrigerant ) And a second cooling unit 130, a temperature sensor 123, 123 ′, a supply pump 124, and a controller 140.

상기 냉매 순환부(110)는 내부 저면에 시드(S) 결정이 고정된 도가니(D)의 하부에서 시드(S) 결정이 고정된 부위로 헬륨(He)가스와 같은 냉매를 공급하는 냉매 공급관(111)과, 냉매 공급관(111)과 연결되어 도가니(D) 하부를 냉각한 냉매를 배출하는 냉매 배출관(112)이 형성되며, 상기 냉매 공급관(111)과 냉매 배출관(112)의 연결부(113)는 2중관 구조로 이루어진다. 상기 이중관 구조의 연결부(113)에서 외측에 배치되는 냉매 배출관(112)의 단부는 마감되고, 상기 냉매 매출관의 내부에 배치된 냉매 공급관(111)의 단부는 개방되어 냉매 배출관(112)의 단부로부터 이격 배치되며, 상기 냉매 배출관(112)의 마감된 단부의 내측 테두리에 곡면부(113a)가 형성된다.The coolant circulation unit 110 is a coolant supply pipe for supplying a coolant such as helium (He) gas to a portion where the seed (S) crystal is fixed at a lower portion of the crucible (D) where the seed (S) crystal is fixed to an inner bottom surface ( 111 and a refrigerant discharge pipe 112 connected to the refrigerant supply pipe 111 and discharging the refrigerant cooling the lower portion of the crucible D is formed, and a connection portion 113 of the refrigerant supply pipe 111 and the refrigerant discharge pipe 112 is formed. Has a double tube structure. The end of the refrigerant discharge pipe 112 disposed on the outside in the connection portion 113 of the double pipe structure is closed, the end of the refrigerant supply pipe 111 disposed in the refrigerant sales pipe is open to the end of the refrigerant discharge pipe 112 Spaced apart from, the curved portion 113a is formed on the inner edge of the closed end of the refrigerant discharge pipe (112).

상기 제1냉각부(120)는 냉매 공급관(111)의 입구와 냉매 배출관(112)의 출구를 연결하는 내부관(121)과, 상기 내부관(121)의 외측을 감싸며 내부로 냉각수(DeIonize water)가 순환하는 외부관(122)이 중첩 배치되어 2중관 구조를 가지며, 외부관(122)의 냉각수 입구에는 냉각수의 공급량을 조절하는 공급펌프(124)가 설치되고, 내부관(121)의 냉매 유입구와 냉매 유출구에는 냉매의 온도를 측정하는 온도센서(123,123')가 각각 설치된다. The first cooling unit 120 includes an inner tube 121 connecting the inlet of the coolant supply pipe 111 and the outlet of the coolant discharge pipe 112, and surrounds the outer side of the inner pipe 121 with coolant inside. The outer pipe 122 through which circulates is overlapped to have a double pipe structure, and a supply pump 124 for controlling a supply amount of cooling water is installed at a cooling water inlet of the outer pipe 122, and a refrigerant in the inner pipe 121 is provided. At the inlet and the refrigerant outlet, temperature sensors 123 and 123 'are respectively installed to measure the temperature of the refrigerant.

상기 제2냉각부(130)는 내부에 냉각수(DeIonize water)가 채워진 상태로 상기 제1냉각부(120)를 수용하는 냉각조(131)와, 상기 냉각조(131)의 냉각수를 설정 온도로 냉각시키는 냉각수단(132)이 형성되며, 이러한 제2냉각부(130)는 칠러(Chiller) 냉각기와 같은 구조로 이루어질 수 있다.The second cooling unit 130 is a cooling tank 131 for accommodating the first cooling unit 120 in a state in which cooling water (DeIonize water) is filled, and the cooling water of the cooling tank 131 at a predetermined temperature. Cooling means 132 is formed to cool, and the second cooling unit 130 may have a structure such as a chiller cooler.

상기 제어부(140)는 온도센서(123,123')의 온도 측정값에 따라 제1냉각부(120)의 공급펌프(124)에 제어신호를 전달하여 냉각수의 공급량을 조절함으로써 제1냉각부(120)의 내부관(121) 출구를 통해 배출되는 냉매 온도가 일정하게 유지되도록 한다.
The controller 140 transmits a control signal to the supply pump 124 of the first cooling unit 120 according to the temperature measurement values of the temperature sensors 123 and 123 'to adjust the amount of cooling water to supply the first cooling unit 120. The refrigerant temperature discharged through the inner tube 121 of the outlet is kept constant.

지금부터는 상술한 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.The operation of the first embodiment of the above-mentioned cooling apparatus for sapphire single crystal production will now be described.

도 1을 참조하면, 냉매 순환부(110)의 냉매 공급관(111)과 냉매 배출관(112)의 일단부에 형성된 연결부(113)는 내부 저면에 시드(S)가 고정배치된 도가니(D)의 하부에 배치되고, 냉매 공급관(111)의 타단부는 제1냉각부(120)의 내부관(121)의 출구측에 배관연결되고, 냉매 배출관(112)의 타단부는 제1냉각부(120)의 내부관(121)의 입구측에 배관연결된다.Referring to FIG. 1, the connection part 113 formed at one end of the refrigerant supply pipe 111 and the refrigerant discharge pipe 112 of the refrigerant circulation unit 110 may include a crucible D having a seed S fixedly disposed on an inner bottom thereof. It is disposed in the lower portion, the other end of the refrigerant supply pipe 111 is piped to the outlet side of the inner tube 121 of the first cooling unit 120, the other end of the refrigerant discharge pipe 112 is the first cooling unit 120 Piping is connected to the inlet side of the inner tube (121).

제1냉각부(120)는 2중관 구조로 이루어져 내부관(121)으로는 냉매가 순환하고, 외부관(122)으로는 냉각수가 순환하게 되며, 지그재그 또는 나선형태로 제2냉각부(130)의 냉각조(131) 내에 배치된다. The first cooling unit 120 has a double pipe structure and the refrigerant circulates through the inner tube 121, and the coolant circulates through the outer tube 122, and the second cooling unit 130 is zigzag or spiral. It is arranged in the cooling tank 131 of the.

상기 제1냉각부(120)의 내부관(121)의 입구측과 출구측에는 각각 온도센서(123,123')가 마련되어 내부관(121)으로 유입되는 냉매의 온도와 내부관(121)으로부터 유출되는 냉매의 온도를 각각 측정한다. Temperature sensors 123 and 123 'are provided at the inlet side and the outlet side of the inner tube 121 of the first cooling unit 120, respectively, and the temperature of the refrigerant flowing into the inner tube 121 and the refrigerant flowing out of the inner tube 121. Measure the temperature of each.

또한, 외부관(122)의 입구측에는 공급량의 제어가 가능한 공급펌프(124)가 설치되어 외부관(122)으로 냉각수를 공급한다. In addition, a supply pump 124 capable of controlling the supply amount is installed at the inlet side of the outer tube 122 to supply the coolant to the outer tube 122.

제2냉각부(130)는 제1냉각부(120)가 수용된 냉각조(131)에 냉각수가 채워진 상태에서, 도시되지 않은 냉각수단(132)을 통해 냉각조(131) 내부의 냉각수의 온도를 조절한다. The second cooling unit 130 adjusts the temperature of the cooling water inside the cooling tank 131 through the cooling means 132 not shown in the state where the cooling water is filled in the cooling tank 131 in which the first cooling unit 120 is accommodated. Adjust

특히, 상기와 같이 헬륨가스와 같은 냉매가 통과하는 내부관(121)의 외측에 냉각수가 순환하는 외부관(122)을 배치하여 냉매를 냉각시키는 것과 동시에, 외부관(122)을 냉각조(131) 내에 수용함으로써 외부관(122)을 통과하면서 냉매와 열교환하는 냉각수가 냉각조(131)의 냉각수에 의해 냉각되어 연속적으로 냉매와 열교환되도록 함으로써, 냉매에 열충격을 최소화하면서 안정적으로 냉각시키는 것이 가능하며, 냉각을 위한 배관의 길이를 최소화할 수 있게 된다.In particular, the outer tube 122 through which coolant is circulated outside the inner tube 121 through which a coolant such as helium gas passes to cool the refrigerant, and simultaneously cool the outer tube 122 in the cooling tank 131. By accommodating the inside of the cooling tube to pass through the outer tube 122, the coolant to be heat-exchanged with the coolant by the cooling water of the cooling tank 131 to be continuously heat exchanged with the refrigerant, it is possible to cool stably while minimizing the thermal shock to the refrigerant Therefore, the length of the pipe for cooling can be minimized.

아울러, 도 2에 도시된 것과 같이, 도가니(D)의 하부에 배치되는 냉매 순환부(110)의 냉매 공급관(111)과 냉매 배출관(112)의 연결부(113)에서는 냉매 배출관(112)의 단부가 마감처리된 상태에서, 냉매 배출관(112)의 내부중앙에 냉매 공급관(111)이 삽입되어 2중관 구조를 가지며, 냉매 공급관(111)의 단부가 냉매 배출관(112)의 내측 단부로부터 이격되어 냉매 공급관(111)의 단부로부터 공급되는 냉매가 냉매 배출관(112)의 내측 단부를 향해 토출된다. In addition, as shown in FIG. 2, the end of the refrigerant discharge pipe 112 in the connection portion 113 of the refrigerant supply pipe 111 and the refrigerant discharge pipe 112 of the refrigerant circulation unit 110 disposed below the crucible D. Is finished, the refrigerant supply pipe 111 is inserted into the inner center of the refrigerant discharge pipe 112 has a double pipe structure, the end of the refrigerant supply pipe 111 is spaced apart from the inner end of the refrigerant discharge pipe 112 refrigerant The coolant supplied from the end of the supply pipe 111 is discharged toward the inner end of the coolant discharge pipe 112.

이때, 상기 냉매 배출관(112)의 마감된 단부의 내측 테두리에 형성된 곡면부(113a)에 의해 냉매 배출관(112)의 내측 단부에 도달하여 주변으로 경로가 전환되는 냉매가 다시 냉매 배출관(112)의 관경로를 향해 방향이 전환되므로 냉매의 순환이 원활하게 이루어지게 되며, 이로 인해 종래와 같은 냉매의 방향전환점의 난류발생이 방지되므로 열교환 효율이 향상된다.At this time, the coolant that reaches the inner end of the coolant discharge pipe 112 by the curved portion 113a formed at the inner edge of the closed end of the coolant discharge pipe 112 is switched to the periphery of the coolant discharge pipe 112 again. Since the direction is changed toward the pipe path, the circulation of the refrigerant is smoothly performed, and thus, the heat exchange efficiency is improved because the turbulence of the direction change point of the refrigerant is prevented as in the prior art.

한편, 첨부도면 중 도 3은 본 발명 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치의 제어도로서, 도면에 도시된 것과 같이, 제어부(140)에서는 제1냉각부(120)의 내부관(121)의 입구와 출구에 설치된 온도센서(123,123')로부터 냉매의 유입온도와 냉매의 유출온도를 각각 제어부(140)로 전달하면, 제어부(140)에서는 이러한 온도값을 통해 제1냉각부(120)의 공급펌프(124)를 제어하여 제1냉각부(120)의 외부관(122)으로 공급되는 냉각수의 유량을 조절하여 1차 온도제어를 수행하는 것과 함께, 제2냉각부(130)의 냉각수단(132)을 통해 냉각조(131) 내부의 냉각수의 온도를 조절하여 2차 온도제어를 수행한다.
3 is a control diagram of the cooling apparatus for manufacturing sapphire single crystal of the present invention. As shown in the drawing, the control unit 140 is provided at the inlet and the outlet of the inner tube 121 of the first cooling unit 120. When the inlet temperature of the refrigerant and the outlet temperature of the refrigerant are transferred to the controller 140 from the installed temperature sensors 123 and 123 ', the controller 140 supplies the supply pump 124 of the first cooling unit 120 through the temperature values. By controlling the flow rate of the cooling water supplied to the outer tube 122 of the first cooling unit 120 to perform the first temperature control, through the cooling means 132 of the second cooling unit 130 The secondary temperature control is performed by adjusting the temperature of the cooling water in the cooling tank 131.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.The scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, but may be embodied in various forms of embodiments within the scope of the appended claims. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.

110:냉매 순환부, 111:냉매 공급관, 112:냉매 배출관, 113:연결부,
113a:곡면부, 120:제1냉각부, 121:내부관, 122:외부관, 123,123':온도센서,
124:공급펌프, 130:제2냉각부, 131:냉각조, 132:냉각수단, 140:제어부,
D:도가니, S:시드110: refrigerant circulation portion, 111: refrigerant supply pipe, 112: refrigerant discharge pipe, 113: connection,
113a: curved portion, 120: first cooling portion, 121: inner tube, 122: outer tube, 123, 123 ': temperature sensor,
124: supply pump, 130: second cooling unit, 131: cooling tank, 132: cooling means, 140: control unit,
D: Crucible, S: Seed

Claims (5)

내부 저면에 시드 결정이 고정된 도가니의 하부에서 시드 결정이 고정된 부위로 냉매를 공급하는 냉매 공급관과, 도가니 하부를 냉각한 냉매를 배출하는 냉매 배출관이 형성된 냉매 순환부;
냉매 공급관의 입구와 냉매 배출관의 출구를 연결하는 내부관과, 상기 내부관의 외측을 감싸며 내부로 냉각수가 순환하는 외부관의 2중관 구조를 갖는 제1냉각부; 및,
내부에 냉각수가 채워진 상태로 상기 제1냉각부를 수용하는 냉각조가 형성된 제2냉각부;를 포함하며,
상기 제1냉각부의 내부관의 양단부에 각각 설치되어 공급측 냉매와 배출측 냉매의 온도를 측정하는 온도센서;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치.A coolant circulation unit including a coolant supply pipe configured to supply a coolant from a lower portion of the crucible having a seed crystal fixed to an inner bottom thereof to a portion where the seed crystal is fixed, and a coolant discharge pipe configured to discharge the coolant cooling the lower portion of the crucible;
A first cooling unit having a double tube structure of an inner tube connecting an inlet of the refrigerant supply pipe and an outlet of the refrigerant discharge pipe, and an outer tube surrounding the outside of the inner tube and circulating the coolant therein; And
And a second cooling unit having a cooling tank configured to receive the first cooling unit while the cooling water is filled therein.
And a temperature sensor installed at both ends of the inner tube of the first cooling unit, respectively, for measuring a temperature of a supply side refrigerant and a discharge side refrigerant. 제 1항에 있어서,
냉매 공급관과 냉매 배출관의 연결부는 2중관 구조로 이루어지며, 외측에 배치되는 냉매 배출관의 단부는 마감되고, 상기 냉매 매출관의 내부에 배치된 냉매 공급관의 단부는 개방되어 냉매 배출관의 단부로부터 이격 배치되며, 상기 냉매 배출관의 마감된 단부의 내측 테두리에 곡면부가 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치.The method of claim 1,
The connection portion between the refrigerant supply pipe and the refrigerant discharge pipe has a double pipe structure, and an end of the refrigerant discharge pipe disposed on the outside is closed, and an end of the refrigerant supply pipe disposed inside the refrigerant sales pipe is opened to be spaced apart from the end of the refrigerant discharge pipe. And a curved portion formed on an inner edge of the closed end of the refrigerant discharge pipe. 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 온도센서의 측정온도에 따라 제1냉각부의 외부관으로 공급되는 냉각수의 공급량을 조절하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치.The method of claim 1,
And a control unit for adjusting the supply amount of the cooling water supplied to the outer tube of the first cooling unit according to the measured temperature of the temperature sensor. 제 4항에 있어서,
상기 제1냉각부의 냉각수 입구측에 배치되어 제어부의 제어신호에 의해 냉각수의 공급량을 조절하는 공급펌프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 제조용 냉각 장치.5. The method of claim 4,
And a supply pump disposed at the cooling water inlet side of the first cooling unit to adjust the supply amount of the cooling water according to a control signal of the controller.
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