KR101786564B1 - 열교환식 칠러 장치 - Google Patents

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송인환
반윤식
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Abstract

냉각수에 의해 열교환기에 손상을 주지 않거나, 히터의 전력소모를 최소화할 수 있는 열교환식 칠러 장치가 개시된다. 공정 챔버로부터 회수된 냉매가, 히터를 경유하는 제1경로와, 열교환기와 냉매 유량제어밸브를 경유하는 제2경로로 분기하여 흐르고, 상기 제1 및 제2경로를 경유한 냉매가 혼합되는 과정에서, 상기 공정 챔버의 공급측과 회수측에 각각 설치된 온도센서에서 감지된 온도에 기초하여 상기 냉매 유량제어밸브의 개도가 조절되어 상기 혼합된 냉매의 온도가 기설정된 온도로 조절된다.

Description

열교환식 칠러 장치{Heat exchange typed chiller apparatus}
본 발명은 열교환식 칠러 장치에 관한 것으로, 특히 냉각수에 의해 열교환기에 손상을 주지 않거나, 히터의 전력소모를 최소화할 수 있는 기술에 관련한다.
반도체를 제조하는 과정에서 반도체 공정용 설비는 항상 그 챔버 내부의 온도를 일정하게 유지시켜야 하며, 이러한 온도 유지의 역할을 하는 장비가 반도체용 칠러(chiller)이다.
반도체 공정용 설비는 반도체의 제조과정에서 열적 부하를 받아 온도가 상승하게 되는데 반도체용 칠러는 펌프를 사용하여 챔버 내부에 냉각 유체를 순환시키는 방법으로 상기의 열적 부하를 반도체용 칠러로 회수하여 열을 제거한다.
반도체용 칠러는 본체로 회수된 냉매의 냉각 목표 온도에 따라 저온용 칠러와 고온용 칠러로 구분할 수 있으며, 저온용 칠러는 통상적으로 프레온가스를 이용한 냉각사이클을 이용하여 냉매(coolant)를 냉각하는 방식이며, 고온용 칠러(또는, 열교환기식 칠러)는 냉각수(PCW, Process Cooling Water)를 이용하여 냉매를 냉각하는 방식이다.
도 1은 종래의 반도체 공정용 열교환식 칠러 장치의 사이클을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 칠러(10)는 열교환기(11), 히터(12), 냉매 탱크(13), 및 냉매 펌프(14)로 이루어진 냉매 경로와, 냉각수 공급로에 설치된 냉각수 유량제어밸브(15)와 열교환기(111)로 이루어진 냉각수 경로로 구성된다.
공정 챔버(20)로부터 회수되는 냉매는 열교환기(11)에서 냉각수와 열교환이 이루어지는데, 공정용 챔버(20)에서 회수되는 열적 부하의 크기에 따라 냉각수 유량제어밸브(15)의 개도를 조절하여 열교환하는 냉매의 온도를 제어하게 된다.
그러나, 이러한 종래의 온도제어 시스템에 의하면 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 냉매의 온도가 100℃ 이상이고 냉각수가 흐르는 양을 냉각수 유량제어밸브를 통하여 조절하는데 조절에 의해 적은 양의 냉각수가 흐르는 경우 열교환기 내부에서 냉각수가 끓게 되고, 이에 따라 열교환기에 충격을 주어 열교환기의 수명이 저하되거나 냉매에 포함된 이물질이 열교환기 내부에 부착되어 열교환기의 성능을 떨어뜨리는 원인이 된다.
둘째, 열교환기 전체의 온도가 상승과 하강을 반복하기 때문에 열 피로에 의해 열교환기가 손상하거나 크랙이 발생한다.
셋째, 공정 챔버가 아이들 상태가 되어 공정 챔버로부터 회수되는 냉매의 온도를 냉각할 필요가 없는 경우에도 열교환기에서 열교환이 이루어지고, 그 결과 후단의 히터에서는 냉각된 냉매의 온도를 기설정값으로 올리기 위해 동작하기 때문에 전력소모가 커진다.
따라서, 본 발명의 목적은 냉각수에 의해 열교환기에 손상을 주지 않는 열교환식 칠러장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 히터의 불필요한 동작을 줄여 전력소모를 최소화할 수 있는 열교환식 칠러장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 공정 챔버로부터 회수된 냉매가, 히터를 경유하는 제1경로와, 열교환기와 냉매 유량제어밸브를 경유하는 제2경로로 분기하여 흐르고, 상기 제1 및 제2경로를 경유한 냉매가 혼합되는 과정에서, 상기 공정 챔버의 공급측과 회수측에 각각 설치된 온도센서에서 감지된 온도에 기초하여 상기 냉매 유량제어밸브의 개도가 조절되어 상기 혼합된 냉매의 온도가 기설정된 온도로 조절되는 것을 특징으로 하는 열교환식 칠러 장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 열교환기는 쌍을 이루어 설치되며, 상기 열교환기에는 냉각수가 일정한 양으로 지속적으로 공급된다.
바람직하게, 상기 냉매의 혼합은 상기 제1 및 제2경로가 만나는 배관에서 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 히터의 후단에 수동 밸브가 설치되어 상기 제1 및 제2경로를 흐르는 냉매가 한쪽으로 치우치는 것을 방지할 수 있다.
상기의 구조에 의하면, 냉각수의 유량을 제어하지 않아 냉각수를 열교환기에 지속적으로 흐르도록 함으로써 열교환기에 손상을 주지 않고 수명을 연장할 수 있다.
또한, 히터와 열교환기의 병렬로 구성하여 공정 챔버에서 회수된 냉매를 2경로로 분기함으로써 히터에 의한 불필요한 가열을 줄임으로써 전력소모를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 열교환식 칠러 장치의 사이클을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열교환식 칠러 장치의 사이클을 나타낸다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 열교환식 칠러 장치의 사이클을 나타낸다.
냉매 경로는, 공정 챔버(200)로부터 회수되는 냉매가 분기되어 유입되는 히터(120)와 한 쌍의 열교환기(110, 112), 히터(120)의 후단에 설치되는 냉매 탱크(130), 열교환기(110, 112)의 후단에 설치되는 냉매 유량제어밸브(150), 및 냉매 탱크(130)와 냉매 유량제어밸브(150)의 후단에 설치되는 냉매 펌프(140)로 구성된다.
냉매 경로에서 공정 챔버(200)의 입력단과 출력단, 히터(120)의 후단에 각각 온도센서(160, 162, 164)가 설치되고, 각 온도센서(160, 162, 164)에서 감지된 온도값은 제어부(300)에 전달된다.
냉각수 경로는, 냉각수 공급 및 회수라인과 한 쌍의 열교환기(110, 112)로 구성되며, 냉각수 경로에 냉각수 유량제어밸브는 설치되지 않는다.
상기한 본 발명의 구조는 2가지의 특징을 갖는데, 첫째는 냉각수를 열교환기(110, 112)에 지속적으로 흐르도록 함으로써 열교환기에 손상을 주지 않고 수명을 연장하는 것이고, 둘째는 히터(120)와 열교환기(110, 112)의 병렬로 구성하여 공정 챔버(200)에서 회수된 냉매를 2경로로 분기하여 히터(120)에 의한 불필요한 가열을 줄임으로써 전력소모를 최소화하는 것이다.
공정 챔버(200)에서 회수된 냉매는 매우 높은 고온이며, 고온의 냉매를 안정적으로 제어하기 위해 히터(120)에 의한 가열과, 열교환기(110, 112)에 의한 냉각과 냉매 유량제어밸브(150)에 의한 냉매 유량제어로 온도 조절이 이루어진다.
선택적으로, 냉매가 한쪽으로 치우치는 것을 방지하기 위해 히터(120)의 후단에 수동 밸브(170)를 설치하여 수동으로 밸브(170)의 개도를 조절하여 냉매의 치우침이나 유량 조절이 가능하도록 할 수 있다.
먼저, 히터(120)에 의한 온도제어를 설명한다.
히터(120)는 전력의 최소 사용과 부하에 따른 능동적인 대응 및 안정적인 온도 제어를 위해 적용된다.
히터(120)의 최소 사용을 위해서는 공급측 온도를 기준온도로 설정하여 동작 기준을 마련할 수 있다. 가령, 공급측 온도가 150℃라고 하면, 이를 기준온도로 하여 그 이상의 온도에서는 히터(120)가 구동하지 않고 회수된 냉매를 그대로 냉매 탱크(130)로 보내고, 그 이하의 온도에서는 히터(120)를 구동하여 기준온도가 되도록 가열한다.
따라서, 공정 챔버(200)가 동작하는 대부분의 경우, 회수측 온도는 공급측 온도보다 높기 때문에 히터(120)가 구동하지 않아 전력소모를 줄일 수 있으며, 공정 챔버(200)가 아이들(idle) 상태의 경우 환경 영향에 의해 회수측 온도가 공급측 온도보다 낮아질 수 있어 최소한으로 히터(120)를 구동할 수 있다.
공정 챔버(200)에서 회수된 냉매는 다른 경로로 분기된 열교환기(110, 112)로 분기되는데, 이 실시 예에서 열교환기(110, 112)는 쌍을 이루어 설치되지만 이는 열교환 능력과 상호 대체를 고려한 것으로 하나의 열교환기를 설치하는 것도 가능함은 물론이다.
열교환기(110, 112)에는 냉각수(PCW)가 공급되어 열교환 후 회수되는데, 종래와 달리 냉각수의 유량은 제어하지 않는다. 따라서, 냉각수가 열교환기(110, 112)에 지속적으로 흐르게 됨으로써 열교환기(110, 112)의 온도가 상승하거나 하강하지 않아 열교환기가 손상되거나 크랙이 발생하지 않아 수명을 연장할 수 있다.
열교환기(110, 112)를 통하여 냉각수와 열교환을 이룬 냉매는 냉매 유량제어밸브(150)를 통하여 유량이 제어된다.
즉, 제어부(300)는 공급측 온도센서(160)와 회수측 온도센서(162)로부터 감지온도를 입력받고 PID 제어에 의해 냉매 유량제어밸브(150)의 개도를 조절하여 냉매의 유량을 조절한다.
유량이 조절된 냉매는 냉매 탱크(130)로부터 나오는 고온의 냉매와 혼합되어 기설정된 온도로 조절되어 공정 챔버(200)로 공급된다.
여기서, 냉매 탱크(130)와 냉매 유량제어밸브(150)로 나온 냉매는 배관에서 혼합되는데, 냉매 탱크(130)에서 혼합하는 것과 비교하여 빠른 반응성과 응답성을 갖는다는 이점이 있다.
한편, 상기한 것처럼, 히터(120)의 후단에 설치된 수동 밸브(170)의 개도를 조절하여 냉매가 어느 한쪽 경로로 치우치는 것을 방지하고, 히터(120)를 통한 경로에서 냉매 유량을 조절할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200: 전기접속단자
110, 112; 도전시트
120: 유전체 시트
130: 발포체
140, 142: 인터페이스 필름

Claims (4)

  1. 열교환식 칠러 장치로서,
    공정 챔버로부터 회수된 냉매가 각각 제1경로와 제2경로로 분기하여 흐르고,
    상기 제1경로에 히터와 냉매탱크가 순차로 설치되고, 상기 제2경로에 열교환기와 냉매 유량제어밸브가 순차로 설치되며,
    상기 냉매 유량제어밸브는, 상기 공정 챔버의 공급측과 회수측에 각각 설치된 온도센서에서 감지된 온도에 기초하여 개도가 조절되고,
    상기 제1 및 제2경로를 경유한 냉매는 배관에서 혼합되어 온도가 기설정된 온도로 조절되는 것을 특징으로 하는 열교환식 칠러 장치.
  2. 청구항 1에서,
    상기 열교환기는 쌍을 이루어 설치되며, 상기 열교환기에는 냉각수가 일정한 양으로 지속적으로 공급되는 것을 특징으로 하는 열교환식 칠러 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에서,
    상기 히터의 후단에 수동 밸브가 설치되어 상기 제1 및 제2경로를 흐르는 냉매가 한쪽으로 치우치는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 열교환식 칠러 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006080194A (ja) * 2004-09-08 2006-03-23 Nikon Corp 温調装置、露光装置、並びにデバイス製造方法

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