KR101398844B1

KR101398844B1 - 챔버 내부온도 제어 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101398844B1
Application number: KR1020120158072A
Authority: KR
Inventors: 박종권; 서태범; 김동연; 노승국; 김병섭; 김경호; 이성철
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2014-05-30

Abstract

초정밀 가공기가 배치된 챔버 내부의 온도를 설정된 온도로 신속, 정확하게 조절할 수 있도록 열수지 방식이 적용된 챔버 내부온도 제어 장치 및 방법에 관하여 개시한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 초정밀 가공기(M)가 내장 배치되며 전체적으로 밀폐 형성되는 챔버와, 챔버 내부로 공기의 공급 및 배출이 이루어지는 공기유동라인과, 챔버의 전 영역을 둘러 배치되는 온도감지수단과, 온도감지수단으로부터 온도 데이터를 수집하는 데이터 수집수단과, 데이터 수집수단에서 수집된 온도 데이터를 이용하여 상기 챔버 내부의 온도를 설정된 온도로 제어하는 제어부와, 챔버 내부로 공기를 공급 순환시키는 송풍기와, 송풍기에 의해 공급되는 공기를 가열하는 가열수단 및, 송풍기에 의해 공급되는 공기를 냉각하는 냉각수단을 포함하는 챔버 내부온도 제어 장치를 제공한다.

Description

챔버 내부온도 제어 장치 및 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING INTERIOR TEMPERATURE OF CHAMBER AND THE METHOD THEREOF}

본 발명은 챔버 내부온도 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초정밀 가공기가 배치된 챔버 내부의 온도를 설정된 온도로 신속, 정확하게 조절할 수 있도록 열수지 방식이 적용된 챔버 내부온도 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.

초정밀 가공기가 내장되는 챔버 내, 외부의 온도차를 고려하여, 챔버 내부를 설정된 온도로 항시 유지시켜 주는 것이 중요한 작업 조건 중 하나로 여겨지며, 이를 위한 본 발명의 배경기술로서, 별도로 도시하진 않았으나 챔버 내부의 공기를 가열 또는 냉각시키기 위하여 공기 순환 방식 또는 가열, 냉각 매체 순환 방식이 이용되어 왔다.

특히 초정밀 가공기의 작동 중에는, 가공 스핀들의 동작에 의해 특정의 국부 영역에서 온도가 상승하는 경우가 빈번하게 발생하며, 이러한 온도 상승에 따라 챔버 내부의 온도 조건이 설정된 기준 값으로부터 벗어나는 경우가 발생되었다. 이와 같은 챔버 내부의 온도 변화는 작업자가 요구하는 수준의 가공 정밀도를 확보하는데 난점으로 작용될 수 있으며, 초정밀 가공 분야(특히, IT, BT)에서 요구되는 높은 정밀도의 가공을 수행하는 데 있어 문제점으로 작용되었다.

대한민국 공개특허 제2005-0013822호

본 발명은 챔버(또는 셀) 내부의 온도를 설정된 온도로 신속, 정확하게 조절할 수 있도록 열수지 방식이 적용된 챔버 내부온도 제어 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 챔버(또는 셀) 내부의 온도를 설정된 온도로 신속, 정확하게 조절해 줄 수 있는 챔버 내부온도 제어 방법을 다양하게 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 초정밀 가공기(M)가 내장 배치되며 전체적으로 밀폐 형성되는 챔버; 상기 챔버 내부로 공기의 공급 및 배출이 이루어지는 공기유동라인; 상기 챔버의 전 영역을 둘러 배치되는 온도감지수단; 상기 온도감지수단으로부터 온도 데이터를 수집하는 데이터 수집수단; 상기 데이터 수집수단에서 수집된 온도 데이터를 이용하여 상기 챔버 내부의 온도를 설정된 온도로 제어하는 제어부; 상기 챔버 내부로 공기를 공급 순환시키는 송풍기; 상기 송풍기에 의해 공급되는 공기를 가열하는 가열수단; 및 상기 송풍기에 의해 공급되는 공기를 냉각하는 냉각수단;을 포함하는 챔버 내부온도 제어 장치를 제공한다.

또한, 외부로부터 인가된 전원을 직류-교류로 전환하여 상기 송풍기의 출력을 조절함으로써, 상기 챔버 내부로 공급되는 공기의 풍량을 조절하는 인버터를 더 포함한다.

그리고 상기 온도감지수단은, 상기 챔버의 전 영역을 둘러 설정된 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 열전대로 이루어지되, 상기 열전대 각각은 상기 챔버의 벽면 양측으로 마주하여 동일 위치상에 한 쌍이 배치되어, 상기 챔버 내, 외부 온도를 동시에 감지할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기의 챔버 내부온도 제어 장치를 이용한 챔버 내부온도 제어 방법으로서, 상기 챔버의 벽면 양측에 배치된 상기 한 쌍의 열전대에서 감지된 상기 챔버 내, 외부 온도를 비교하여, 상기 챔버 외부 온도에 비해 상기 챔버 내부 온도가 높을 경우 상기 송풍기와 냉각수단을 가동한 상태에서 상기 챔버 내부 온도를 설정된 온도까지 제어하고, 상기 챔버 외부 온도에 비해 챔버 내부 온도가 낮을 경우 상기 송풍기와 가열수단을 가동하여 상기 챔버 내부 온도를 설정된 온도까지 제어하는 챔버 내부온도 제어 방법을 제공한다.

또한, 상기의 의 챔버 내부온도 제어 장치를 이용한 챔버 내부온도 제어 방법으로서, 상기 챔버의 벽면 내부에 배치된 상기 복수 개의 열전대로부터 상기 챔버 내부 전 영역의 온도 데이터를 상기 데이터 수집수단에서 수집하고, 상기 수집된 온도 데이터를 산술평균 온도로 연산하되, 상기 연산된 산술평균 온도가 설정된 온도로 유지될 수 있도록 제어하는 챔버 내부온도 제어 방법을 제공한다.

또한, 상기의 챔버 내부온도 제어 장치를 이용한 챔버 내부온도 제어 방법으로서, 초정밀 가공 중에 상기 챔버에 내장 배치된 상기 초정밀 가공기의 스핀들 주변의 온도를 집중 감지하여, 상기 감지된 스핀들 주변의 온도가 설정된 온도로 유지될 수 있도록 제어하는 챔버 내부온도 제어 방법을 제공한다.

본 발명인 챔버 내부온도 제어 장치 및 방법의 실시예들에 의하면, 특히 초정밀 가공기가 내장 배치되는 챔버(또는 셀) 내부의 온도를 설정된 온도로 신속, 정확하게 조절할 수 있다.

특히, 챔버를 둘러 복수의 열전대를 구비하되, 상기 열전대는 챔버 벽면을 사이에 두고 양면에 배치됨으로써, 동일 위치에서의 챔버 내, 외부 온도 차를 검출하여 챔버로 공급되는 공기의 가열 및 냉각을 조절함으로써, 챔버 내부가 항시 설정 온도로 유지시켜 줄 수 있다.

또한, 챔버 내부의 복수 영역에 대한 온도를 측정하고, 측정된 온도의 산술평균을 산출함으로써 만일 챔버 내부의 온도 상승 시 냉각된 공기를 공급하고, 만일 챔버 내부의 온도 하강 시 가열된 공기를 공급하여, 챔버 내부의 온도를 항시 설정된 온도로 유지시켜 줄 수 있다.

또한, 챔버 내부의 특정 영역, 특히 스핀들에 의한 초정밀 가공이 수행되는 영역에서의 온도를 측정하여, 공구와 공작물의 직접적인 마찰에 의한 온도변화에 중점을 두어 챔버 내부의 온도를 설정된 온도로 유지시켜 줄 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 챔버 내부온도 제어 장치를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 챔버 내부온도 제어 장치를 간략히 도시한 구성도이다.

본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 여기에서 설명될 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 챔버 내부온도 제어 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 살펴보기로 한다.

챔버 내부온도 제어 장치

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 챔버 내부온도 제어 장치의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 챔버 내부온도 제어 장치를 간략히 도시한 구성도이다.

도 1, 2를 병행 참조하면, 도시된 챔버 내부온도 제어 장치(100)는 열수지 보상 알고리즘을 적용한 것으로, 초정밀 가공기(M)가 내장 배치된 챔버(101), 가열 공기 또는 냉각 공기가 챔버 내, 외부로 유동하는 공기유동라인(103), 챔버(101) 내, 외부 온도를 감지하는 온도감지수단(110), 온도 데이터를 수집하는 데이터 수집수단(120) 및 제어부(130)를 포함한다.

이에 더하여, 도시된 챔버 내부온도 제어 장치(100)는 상기 챔버 내부로 공기를 공급 순환시키는 송풍기(140), 챔버로 공급되는 공기를 가열하는 가열기(150) 및 챔버로 공급되는 공기를 냉각하는 냉각기(160)를 포함한다.

챔버(101)는 내부에 수용공간이 형성되며, 전체적으로 밀폐된 형상의 부재를 말한다. 도시된 바로는 직육면체 형상의 함체 형태로 나타나 있으나 이는 챔버(101)의 예시적인 형태에 불과할 뿐 본 발명을 제한하지 않는다. 따라서 이와 다른 다양한 형상의 챔버(101)라면 어떤 형태를 이용하더라도 무방하다.

상기 챔버(101) 내부의 수용공간으로는 초정밀 가공기(M)가 배치되며, 여기서 초정밀 가공기(M)란 고도의 정밀도를 요구하는 가공을 수행하는 장치로서, 특히, IT 및 BT 분야에까지 활용 가능한 가공 장치를 말한다. 일예로서, 상기 초정밀 가공기(M)에는 공작물의 가공을 직접적으로 수행하는 스핀들(S)이 구비되어 있다.

이 같은 챔버(101)는 전체적으로 밀폐된 구조로 이루어져 있으나, 챔버의 일측(즉, 도 1의 좌측 벽면)과 타측(즉, 도 1의 우측 벽면)을 통해 공기가 공급되고 배출되는, 즉 공기가 유동하여 순환될 수 있는 공기유동라인(103)이 마련된다. 별도로 도시하진 않았으나, 상기 공기유동라인(103)에는 다수의 밸브 및 공압 탱크가 더 추가적으로 구비될 수도 있다.

그리고 공기유동라인(103)에는 챔버 내부로 공기를 공급 순환시키도록 풍압을 발생시키는 송풍기(140)를 비롯하여, 상기 송풍기(140)에 의해 챔버(101) 내부로 공급되는 공기를 가열해주는 가열수단(150) 및 냉각시켜주는 냉각수단(160)이 구비된다.

더 나아가, 상기 송풍기(140)에 의한 공기 유동량 조절을 원활히 수행할 수 있도록 인버터(142)가 추가로 구비될 수 있다. 이러한 인버터(142)는 외부로부터 인가된 전원을 직류-교류로 전환해주는 구성으로서, 상기 송풍기(140)의 출력 조절을 위해 마련된다.

가열수단(150)은 전술한 바와 같이 송풍기(140)의 작동에 의해 챔버(101) 내부로 공기가 공급될 때, 공급되는 공기의 온도를 상승시켜주는 일종의 히터 장치를 의미한다. 구체적인 예로서, 관용적으로 이용되는 전기 히터 등이 이용될 수 있다. 그리고 냉각수단(160)은 이와 반대로 송풍기(140)의 작동에 의해 챔버(101) 내부로 공기가 공급될 때, 공급되는 공기의 온도를 하강시켜주는 일종의 냉각기 장치를 의미한다. 구체적인 예로서, 전기 냉각 장치를 이용할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 챔버 내부온도 제어 장치(100)는, 상기 온도감지수단(110)으로부터 측정된 온도 데이터를 수집하는 데이터 수집수단(120)과, 챔버 내부의 온도를 설정된 온도로 제어하는 제어부(130)를 포함한다.

특히, 도 1을 통해 확인할 수 있듯이, 본 실시예에서의 온도감지수단(110)은 챔버(101)의 전 영역을 둘러 설정된 간격으로 이격 배치되는 복수 개가 구비될 수 있다. 구체적인 예로서, 이러한 온도감지수단(110)으로는 관용적으로 이용되는 열전대(110a, 110b)를 이용할 수 있는데, 상기 열전대(110a, 110b) 각각은 챔버(101)의 벽면 양측으로 마주하여 동일 위치상에 한 쌍을 이루어 배치될 수 있다. 이에 따라 챔버 내, 외부 온도를 동시에 감지하여, 감지된 위치에서의 챔버 내, 외부 온도 차이를 연산할 수 있도록 해준다.

한편, 이와 같이 상기 온도감지수단(110)이 복수 개로 구비됨에 따라, 상기 온도감지수단(110)으로부터 감지되는 온도 데이터 역시 복수 개가 일시에 출력된다.

그리고 이러한 복수 개의 온도 데이터를 수집하는 역할을 데이터 수집수단(120)이 담당한다. 데이터 수집수단(DAQ)(120)은 복수 개의 온도 데이터를 수집하여, 수집된 온도 데이터를 연산(예: 산술평균 연산)하거나 또는 비교하여 후술될 제어부(130)에 상기 연산 또는 비교된 결과를 전달한다.

제어부(예: PC)(130)는 상기 데이터 수집수단(120)에서 연산 또는 비교된 결과를 이용하여 챔버 내부의 온도 상태를 판단한다. 그리고 챔버 내부의 온도가 설정된 온도로 유지될 수 있도록 제어한다.

더 구체적으로 설명하자면, 상기 제어부(130)에서는 만일 챔버 내, 외부 온도 간에 차이가 있다고 판단한 경우, 즉, 도 1에서 챔버(101) 벽면을 사이에 두고 양쪽으로 마주하여 배치된 열전대(110a, 110b)로부터 감지된 챔버 내부 온도(T1)와 챔버 외부 온도(T2) 간에 차이가 있다고 가정할 수 있다.

이때, 만일 △T(즉, T1-T2의 값)가 0보다 클 경우에는 상기 가열수단(150)을 오프(OFF)시키고, 상기 송풍기(140) 및/또는 냉각수단(160)을 온(ON)시킨 상태에서 T1의 값이 설정된 온도까지 유지되도록 제어한다.

만일, 전술한 경우와 반대로서, 만일 △T(즉, T1-T2의 값)가 0보다 작을 경우에는 상기 냉각수단(160)을 오프(OFF)시키고, 상기 송풍기(140) 및/또는 가열수단(160)을 온(ON)시킨 상태에서 T1의 값이 설정된 온도까지 유지되도록 제어한다.

또 하나의 경우로서, 상기 제어부(130)는 상기 데이터 수집수단(120)에서 수집된 챔버 내부의 온도 데이터로부터 연산된 산술평균을 설정된 온도와 비교하여, 상기 산술평균이 설정된 온도로 유지될 수 있도록 제어하는 기능을 제공한다.

더 나아가, 상기 제어부(130)는 초정밀 가공기(M) 내의 스핀들(S) 주변의 온도를 중점적으로 감지하도록 하여, 상기 감지된 스핀들(S) 주변의 온도가 설정된 온도로 유지될 수 있도록 제어하는 기능도 담당한다. 이는 실제 가공 중에 스핀들(S)과 공작물(미도시) 사이의 직접적인 마찰에 의해 열이 발생됨을 고려한 것으로, 초정밀 가공기를 통한 가공 정밀도를 향상시켜 줄 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예들에 따른 챔버 내부온도 제어 방법은 앞에서 상술한 챔버 내부온도 제어 장치를 이용하여, 챔버 내부온도를 설정된 온도로 유지시키도록 제어해주는 방법으로서, 여기서는 3 가지의 실시예에 관하여 소개한다. 또한, 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.

챔버 내부온도 제어 방법

본 발명의 챔버 내부온도 제어 방법의 제1실시예는 챔버(110)의 벽면 양측에 배치된 한 쌍의 열전대(110a, 110b)에서 감지된 챔버 내부 온도(T1) 및 외부 온도(T2)를 비교한다.

특히, 한 쌍의 열전대로 구성된 온도감지수단(110)의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 챔버(101)의 전 영역을 둘러 복수개가 배치되므로, 각각의 온도 비교(즉, T1과 T2 간의 온도 비교)는 챔버(101)의 전 영역을 통해 동시적으로 수행될 수도 있으며, 어느 특정 영역에 배치된 온도감지수단(110), 즉 한 쌍의 열전대(110a, 110b)로부터 수행될 수도 있다.

한편, 상기 챔버 외부 온도(T2)에 비해 상기 챔버 내부 온도(T1)가 높을 경우 상기 송풍기(140)와 냉각수단(160)을 가동한 상태에서 상기 챔버 내부 온도(T1)를 설정된 온도까지 제어한다. 이와 반대로, 만일 상기 챔버 외부 온도(T2)에 비해 챔버 내부 온도(T1)가 낮을 경우 상기 송풍기(140)와 가열수단(150)을 가동하여 상기 챔버 내부 온도(T1)를 설정된 온도까지 제어한다.

또한, 본 발명의 챔버 내부온도 제어 방법의 제2실시예는 챔버(101)의 벽면 내부에 배치된 상기 복수 개의 열전대(110a)로부터 상기 챔버 내부 전 영역의 온도 데이터를 상기 데이터 수집수단(120)에서 수집한다. 그리고 데이터 수집수단(120)에서는 수집된 복수 개의 온도 데이터(T1)를 산술평균 연산한다.

그 이후, 상기 연산된 산술평균이 설정된 온도로 유지될 수 있도록 제어한다.

또한, 본 발명의 챔버 내부온도 제어 방법의 제3실시예는 초정밀 가공 중에 상기 챔버(101)에 내장 배치된 상기 초정밀 가공기(M)의 스핀들(S) 주변의 온도를 중점적으로 감지하여, 상기 감지된 온도가 설정된 온도로 유지될 수 있도록 제어한다.

이는 실제의 가공에 있어, 공작물과의 상대 마찰을 통해 가공을 수행하는 스핀들 주변에서 온도변화가 가장 극심하게 유발되는 점을 감안한 온도 제어 방법이다.

상술한 바와 같이, 본 발명인 챔버 내부온도 제어 장치 및 방법의 실시예들에 의하면, 특히 초정밀 가공기가 내장 배치되는 챔버(또는 셀) 내부의 온도를 설정된 온도로 신속, 정확하게 조절할 수 있다.

특히 초정밀 가공기가 내장 배치되는 챔버(또는 셀) 내부의 온도를 설정된 온도로 신속, 정확하게 조절할 수 있다.

이상에서 본 발명의 일실시예에 따른 열수지 보상 알고리즘을 적용한 챔버 내부온도 제어 장치 및 방법에 관하여 구체적으로 살펴보았다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 이 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

M: 초정밀 가공기
S: 스핀들
T1: 챔버 내부 온도 T2: 챔버 외부 온도
100: 챔버 내부온도 제어 장치
101: 챔버 103: 공기유동라인
110: 온도감지수단 110a, 110b: 열전대
120: 데이터 수집수단
130: 제어부
140: 송풍기 142: 인버터
150: 가열수단
160: 냉각수단

Claims

초정밀 가공기(M)가 내장 배치되며 전체적으로 밀폐 형성되는 챔버;
상기 챔버 내부로 공기의 공급 및 배출이 이루어지는 공기유동라인;
상기 챔버의 전 영역을 둘러 배치되는 온도감지수단;
상기 온도감지수단으로부터 온도 데이터를 수집하는 데이터 수집수단;
상기 데이터 수집수단에서 수집된 온도 데이터를 이용하여 상기 챔버 내부의 온도를 설정된 온도로 제어하는 제어부;
상기 챔버 내부로 공기를 공급 순환시키는 송풍기;
상기 송풍기에 의해 공급되는 공기를 가열하는 가열수단; 및
상기 송풍기에 의해 공급되는 공기를 냉각하는 냉각수단;을 포함하고,
상기 온도감지수단은 상기 챔버의 전 영역을 둘러 설정된 간격으로 이격 배치되는 복수 개의 열전대로 이루어지되,
상기 열전대 각각은 상기 챔버의 벽면 양측으로 마주하여 동일 위치상에 한 쌍이 배치되어, 상기 챔버 내, 외부 온도를 동시에 감지하는 것을 특징으로 하는 챔버 내부온도 제어 장치.
청구항 1에 있어서,
외부로부터 인가된 전원을 직류-교류로 전환하여 상기 송풍기의 출력을 조절함으로써, 상기 챔버 내부로의 공기 공급을 조절하는 인버터를 더 포함하는 챔버 내부온도 제어 장치.
삭제
청구항 1의 챔버 내부온도 제어 장치를 이용한 챔버 내부온도 제어 방법으로서,
상기 챔버의 벽면 양측에 배치된 상기 한 쌍의 열전대에서 감지된 상기 챔버 내, 외부 온도를 비교하여,
상기 챔버 외부 온도에 비해 상기 챔버 내부 온도가 높을 경우 상기 송풍기와 냉각수단을 가동한 상태에서 상기 챔버 내부 온도를 설정된 온도까지 제어하고,
상기 챔버 외부 온도에 비해 챔버 내부 온도가 낮을 경우 상기 송풍기와 가열수단을 가동하여 상기 챔버 내부 온도를 설정된 온도까지 제어하는 챔버 내부온도 제어 방법.
청구항 1의 챔버 내부온도 제어 장치를 이용한 챔버 내부온도 제어 방법으로서,
상기 챔버의 벽면 내부에 배치된 상기 복수 개의 열전대로부터 상기 챔버 내부 전 영역의 온도 데이터를 상기 데이터 수집수단에서 수집하고, 상기 수집된 온도 데이터를 산술평균 온도로 연산하되, 상기 연산된 산술평균 온도가 설정된 온도로 유지될 수 있도록 제어하는 챔버 내부온도 제어 방법.
청구항 1의 챔버 내부온도 제어 장치를 이용한 챔버 내부온도 제어 방법으로서,
초정밀 가공 중에 상기 챔버에 내장 배치된 상기 초정밀 가공기의 스핀들 주변의 온도를 집중 감지하여, 상기 감지된 스핀들 주변의 온도가 설정된 온도로 유지될 수 있도록 제어하는 챔버 내부온도 제어 방법.