KR102409357B1

KR102409357B1 - 혼합냉매 기반 초저온 냉각 장치

Info

Publication number: KR102409357B1
Application number: KR1020220015968A
Authority: KR
Inventors: 권진한; 유욱진; 이병찬; 방진영; 홍진기
Original assignee: 유니셈(주)
Priority date: 2022-02-08
Filing date: 2022-02-08
Publication date: 2022-06-16

Abstract

본 발명은 반도체 공정 장비 등에 공정의 수행에 필요한 극저온을 공급하는 냉각 장치에 관한 것이다. 본 발명의 냉각 장치는, 내부에 혼합 냉매가 순환하는 증기 압축식의 제1 냉매 회로; 내부에 상온 냉매가 순환하는 증기 압축식의 제2 냉매 회로; 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태의 상기 혼합 냉매와 팽창 작용에 따른 액적 상태의 상기 상온 냉매가 열교환하는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제1 냉매 회로의 제1 증발기를 통과한 상기 혼합 냉매가 열교환하는 제2 열교환기를 포함하고, 상기 제2 열교환기에서, 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기를 통과하고 상기 제1 증발기를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환할 수 있다.

Description

혼합냉매 기반 초저온 냉각 장치{Cryogenic cooling device based on mixed refrigerant}

본 발명은 반도체 공정 장비 등에 공정의 수행에 필요한 극저온을 공급하는 냉각 장치에 관한 것이다.

4차 산업혁명의 진행에 따라 인공지능, 자율주행, 메타버스 등 고성능 반도체에 대한 수요는 급증하고 있고, 이에 따라 반도체의 고집적화, 고적층화에 대한 산업계의 니즈 또한 확대되고 있어 반도체 기판의 가공 공정의 품질이 매우 중요해지고 있다.

반도체 기판의 식각 등의 공정에서 공정의 성능이나 가공품의 품질을 좌우하는 요소 중 하나는 반도체 기판의 온도이다. 특히 섭씨 -100도 이하의 초저온 조건에서 공정을 수행함으로써 반도체 기판의 경도 등의 물성치를 고집적, 고적층화에 유리한 조건으로 유지하는 것을 고려해 볼 수 있다.

그러나 증기 압축식의 냉동 사이클을 이용하여 산업적으로 활용 가능한 수준의 초저온을 얻어내는 것은 쉽지는 않은 일이다. 특히 냉동 능력의 확보와 함께 기동 초기의 냉동 사이클이 불안정한 상태에서의 압력 관리, 과냉도의 충분한 확보 등은 주요한 기술적 과제가 될 수 있다.

비등점이 서로 다른 냉매를 혼합하는 혼합 냉매를 냉매 회로에 봉입하여 다단의 응축을 통해 초저온을 달성하려는 시도들이 있다. 대한민국 등록특허 제10-1957399호에는 이와 같이 혼합 냉매를 이용해서 온도를 하강시켜주는 MR 냉동 시스템 및 이 시스템에 사용되는 혼합 냉매의 조성이 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 혼합 냉매의 단계별 응축 성능을 확보하여 초저온을 안정적으로 유지 가능한 증기 압축식의 반도체 공정용 냉각 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 안정적인 과냉도 확보 및 압축기 액유입 방지를 동시에 실현할 수 있는 초저온 냉각 장치의 효율적인 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 냉동 사이클의 기동 초기의 불안정한 상태에서 시스템의 신뢰성을 확보 가능한 초저온 냉각 장치를 제공하는 것이다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 냉각 장치는, 내부에 혼합 냉매가 순환하는 증기 압축식의 제1 냉매 회로; 내부에 상온 냉매가 순환하는 증기 압축식의 제2 냉매 회로; 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태의 상기 혼합 냉매와 팽창 작용에 따른 액적 상태의 상기 상온 냉매가 열교환하는 제1 열교환기; 및 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제1 냉매 회로의 제1 증발기를 통과한 상기 혼합 냉매가 열교환하는 제2 열교환기를 포함하고, 상기 제2 열교환기에서, 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기를 통과하고 상기 제1 증발기를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환할 수 있다.

그리고 상기 제1 냉매 회로는 제1 압축기, 제1 응축기, 제1 배관 분기, 제1 팽창기, 상기 제1 증발기를 포함하고, 상기 혼합 냉매는, 상기 제1 압축기에서 토출되어 상기 제1 응축기에서 그 일부가 응축된 후 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기를 순차적으로 통과하고, 다시 상기의 제1 배관 분기를 거치면서 상기 제1 팽창기 및 상기 제1 증발기를 순차적으로 통과하는 제1 부분과 적어도 일부가 상기 제2 열교환기로 인입되는 제2 부분으로 나뉠 수 있다.

또한 상기 제1 냉매 회로는, 상기 혼합 냉매의 상기 제2 부분의 유량을 조절하는 제1 유량 조절 수단을 더 포함하고, 상기 냉각 장치는, 상기 제1 유량 조절 수단의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 냉매 회로 내부의 냉동 사이클의 상태 관련 정보를 기반으로 상기 제1 유량 조절 수단의 개폐 상태 또는 개도를 제어할 수 있다.

그리고 상기 상태 관련 정보는 상기 혼합 냉매 중 적어도 일부의 과냉도일 수 있다.

그리고 상기 상태 관련 정보는 상기 냉동 사이클의 기동 후 안정화 여부의 판단 정보일 수 있다.

그리고 상기 제1 유량 조절 수단은 상기 제1 부분의 유량도 조절할 수 있고, 상기 제어부는, 상기 상태 관련 정보가 상기 냉동 사이클의 기동 후 초기의 불안정한 상태를 나타내는 경우, 상기 제1 부분의 흐름을 차단하도록 상기 제1 유량 조절 수단을 제어하고, 상기 상태 관련 정보가 사이 냉동 사이클이 안정된 상태를 나타내는 경우, 상기 냉동 사이클의 과냉도가 소정의 기준을 만족하도록 상기 제1 부분의 유량 및 상기 제2 부분의 유량 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

또한 상기 혼합 냉매는 제1 냉매, 상기 제1 냉매보다 비점(沸點)이 낮은 제2 냉매 및 상기 제2 냉매보다 비점이 낮은 제3 냉매를 포함하고, 상기 제2 부분에 포함된 상기 제1 냉매 및 상기 제2 냉매는 액상(液狀)으로 상기 제2 열교환기로 인입되어 증발 후 상기 제2 열교환기로부터 기상으로 토출하고, 상기 제2 부분에 포함된 상기 제3 냉매는 습증기(濕蒸氣) 상태로 상기 제2 열교환기로 인입되어 증발 후 상기 제2 열교환기로부터 기상(氣狀)으로 토출하고, 상기 제1 부분의 온도는 상기 제1 배관 분기와 상기 제1 팽창기 사이에서 섭씨 -100 도(-100°C) 이하가 되도록 작동할 수 있다.

그리고 상기 제2 열교환기에서, 상기 제1 증발기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기를 통과하고 상기 제1 증발기를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환할 수 있다.

상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 냉각 장치는, 내부에 혼합 냉매가 순환하는 증기 압축식의 제1 냉매 회로; 내부에 상온 냉매가 순환하는 증기 압축식의 제2 냉매 회로; 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태의 상기 혼합 냉매와 팽창 작용에 따른 액적 상태의 상기 상온 냉매가 열교환하는 제1 열교환기; 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제1 냉매 회로의 제1 증발기를 통과한 상기 혼합 냉매가 열교환하는 제2 열교환기; 및 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매와 상기 제1 냉매 회로의 제1 증발기를 통과한 후 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매가 열교환하는 제3 열교환기를 포함할 수 있다.

그리고 상기 제2 열교환기에서, 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기를 통과하고 상기 제1 증발기를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환할 수 있다.

또한 상기 제2 부분은, 상기 제1 배관 분기 및 상기 제2 열교환기를 순차적으로 통과한 직후 상기 제3 열교환기로 인입하여, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매와 열교환할 수 있다.

그리고 상기 제1 냉매 회로는 제2 배관 분기를 더 포함하고, 상기 제2 부분의 일부는 상기 제2 배관 분기를 거쳐 상기 제3 열교환기로 인입하여, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매와 열교환할 수 있다.

그리고 상기 제2 부분은, 상기 제1 배관 분기를 통과한 직후 상기 제2 배관 분기를 거친 후 그 일부가 상기 제2 열교환기를 거치지 않고 상기 제3 열교환기로 인입될 수 있다.

또한 상기 제2 열교환기에서, 상기 제1 증발기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기를 통과하고 상기 제1 증발기를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환할 수 있다.

그리고 상기 제3 열교환기에서, 상기 제2 배관 분기를 거쳐 상기 제3 열교환기로 인입한 상기 제2 부분의 상기 일부가 상기 제1 냉매 회로의 제1 증발기를 통과한 후 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 열교환할 수 있다.

한편, 상기 제1 냉매 회로는 제2 배관 분기를 더 포함하고, 상기 제1 열교환기를 통과한 직후의 상기 혼합 냉매의 일부가 상기 제2 배관 분기를 거쳐 상기 제3 열교환기로 인입하여, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매와 열교환할 수 있다.

또한 상기 제1 냉매 회로는 제2 유량 조절 수단을 더 포함하고, 상기 혼합 냉매의 상기 일부는 상기 제2 배관 분기를 거쳐 상기 제3 열교환기로 인입하기 이전에 상기 제2 유량 조절 수단을 통과하고, 상기 냉각 장치는 상기 제1 냉매 회로 내부의 냉동 사이클의 상태 관련 정보를 기반으로 상기 제2 유량 조절 수단의 개폐 상태 또는 개도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치는 초정밀 반도체 가공 공정에 필요한 초저온을 안정적으로 유지하기 위해, 복 수의 냉매 회로 간의 열교환, 냉동 사이클의 고온측 및 저온측 간의 열교환을 통해 혼합 냉매의 단계별 응축 성능을 확보 가능하다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치는 안정적인 과냉도 확보 및 압축기 액유입 방지를 동시에 실현할 수 있는 초저온 냉각 장치의 효율적인 구조를 구비한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치는 냉동 사이클의 기동 초기의 불안정한 상태에서 시스템의 신뢰성을 확보 가능한 초저온 냉각 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성요소를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 냉각 장치의 배관 구성의 실시 예들을 각각 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시 예들뿐만 아니라 특정 실시 예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블록도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.

프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.

또한 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.

본 명세서의 청구범위에서, 상세한 설명에 기재된 기능을 수행하기 위한 수단으로 표현된 구성요소는 예를 들어 상기 기능을 수행하는 회로 소자의 조합 또는 펌웨어/마이크로 코드 등을 포함하는 모든 형식의 소프트웨어를 포함하는 기능을 수행하는 모든 방법을 포함하는 것으로 의도되었으며, 상기 기능을 수행하도록 상기 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로와 결합된다. 이러한 청구범위에 의해 정의되는 본 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성요소를 설명하기 위한 블록도이다. 또한 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치(10)는, 제1 냉매 회로(100) 및 제2 냉매 회로(300)를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 냉각 장치(10)는 증기 압축식으로 구현될 수 있다.

상기 냉각 장치(10)는 증기 압축 방식으로 액체의 열을 제거하는 데 사용되는 '칠러(chiller)'일 수 있다.

본 발명에 따른 냉각 장치(10)는 산업 공정에서 장비 또는 제품을 원하는 온도로 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 냉각 장치(10)는 반도체 공정 장비의 특정 구성요소를 극저온으로 냉각할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 반도체 공정 장비는 반도체 기판을 식각(Etching)하는 공정을 수행할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 특정 구성요소는 반도체 기판을 거치하는 척(chuck)일 수 있다.

상기 척은 정전기의 힘을 사용해 반도체 기판을 고정하는 정전척(Electrostatic chuck) 일 수 있다.

상기 정전척에는 냉온의 전달이 가능한 순환 유체(Brine)이 흐르는 유로가 형성되어 있을 수 있다.

본 발명의 냉각 장치(10)는 상기 순환 유체와 열교환을 하여 상기 순환 유체를 섭씨 -100도 이하로 냉각시켜 상기 전전척에 공급되도록 할 수 있다.

상기 정전척은 극저온 식각 공정 중에 상기 반도체 기판을 섭씨 -100도 이하로 유지할 수 있다.

상기 제1 냉매 회로(100)는 그 내부에 혼합 냉매가 순환할 수 있다.

상기 제1 냉매 회로(100)는 증기 압축식일 수 있다.

즉 상기 제1 냉매 회로(100)는 상기 혼합 냉매가 순환하면서 상기 혼합 냉매의 적어도 일부가 압축, 응축, 팽창, 증발 과정을 거치면서 증발 잠열을 이용하여 외부의 열을 빼앗는 증기 압축식의 냉동 사이클(Refrigeration cycle)이 구현되는 냉매 회로일 수 있다.

상기 혼합 냉매는 적어도 두 가지 이상의 냉매가 혼합된 상태를 의미할 수 있다.

상기 두 가지 이상의 냉매는 비등점(Boiling point)이 서로 다를 수 있다.

상기 혼합 냉매는 상기 두 가지 이상의 냉매 중 어느 하나의 증발 온도에서 다른 하나의 응축 작용이 일어나도록 조성될 수 있다.

상기 제2 냉매 회로(200)는 그 내부에 상온 냉매가 순환할 수 있다.

상기 제2 냉매 회로(200)는 증기 압축식일 수 있다.

즉 상기 제2 냉매 회로(200)는 상기 상온 냉매가 순환하면서 압축, 응축, 팽창, 증발 과정을 거치면서 증발 과정의 증발 잠열을 이용하여 외부의 열을 빼앗는 증기 압축식의 냉동 사이클이 구현되는 냉매 회로일 수 있다.

상기 상온 냉매는 압축기에 의해 소정의 압력으로 가압된 상태에서 상온인 외부와의 열교환을 통해 응축이 가능한 냉매를 의미할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서 상기 상온 냉매는 표준증발온도가 -15℃ 내지 -35℃의 범위 내에 있는 냉매 중에 선택될 수 있다.

상기 냉각 장치(10)는 제1 열교환기(300) 및 제2 열교환기(400)를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 열교환기(300)는 상기 혼합 냉매와 상기 상온 냉매를 열교환시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 열교환기(300)에서는 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태의 상기 혼합 냉매와 팽창 작용에 따른 액적 상태의 상기 상온 냉매가 열교환할 수 있다.

상기 제2 열교환기(400)는 상기 제1 열교환기(300)를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제1 냉매 회로(100)의 제1 증발기(110)를 통과한 상기 혼합 냉매를 열교환시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라, 상기 제2 열교환기(400)에서는 또한 상기 제1 열교환기(300)를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기(400)를 통과하고 상기 제1 증발기(110)를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 냉매 회로(100)는 제1 압축기(120), 제1 응축기(130), 제1 배관 분기(140), 제1 팽창기(150) 및 상기 제1 증발기(110)를 포함할 수 있다.

상기 제1 압축기(120)는 기체 상태의 냉매를 압축시키면서 순환시키는 작용을 한다.

실시 예에 따라 상기 제1 압축기(120)로 로터리 압축기, 스크롤 압축기, 스크류 압축기 등을 적용할 수 있다.

상기 제1 압축기(120)는 스크롤 압축기일 수 있다.

상기 제1 압축기(120)는 제어부(700)의 제어에 따라 인버터 드라이브 방식으로 구동되어 단위 시간당 냉매의 순환량이 조절될 수 있다.

상기 제1 응축기(130)는 혼합냉매-냉각수 열교환기(600)에 포함되어 수냉식 또는 공냉식으로 상기 압축된 혼합 냉매를 냉각하여 그 중 적어도 일부를 응축시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 혼합냉매-냉각수 열교환기(600)는 수냉식 열교환기이다.

상기 제1 팽창기(150)는 줄-톰슨 팽창 작용을 하는 기구이다.

상기 제1 팽창기(150)는 모세관, 전자식 팽창밸브(EEV), 온도식 자동팽창밸브(TEV), 수동 개도조절 방식 팽창밸브 등을 이용하여 구현할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제1 팽창기(150)는 전자팽창밸브일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제1 팽창기(150)는 모세관 또는 수동 개도조절 방식 팽창밸브일 수 있다.

상기 제1 증발기(110)는 냉매-유체 열교환기(900)에 포함되고, 상기 제1 증발기(110)를 통과하는 상기 혼합 냉매 중 적어도 일부가 상기 순환 유체와 열교환을 하여 증발할 수 있다. 상기 열교환한 순환 유체는 그 온도가 섭씨 -100도 이하로 하강할 수 있다.

상기 순환 유체는 섭씨 -100도 이하에서도 얼지 않는 부동액(brine)일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 순환 유체는 유체순환회로(800) 내부에 봉입되어 순환펌프(810)의 구동에 따라 순환하여 반도체 공정 장비(1000)에 입출할 수 있다.

또한 상기 제2 냉매 회로(200)는 제2 압축기(220), 제2 응축기(230), 제2 팽창기(150) 및 제2 증발기(210)를 포함할 수 있다.

상기 제2 압축기(220)는 기체 상태의 상기 상온 냉매를 압축시키면서 순환시키는 작용을 한다.

실시 예에 따라 상기 제2 압축기(220)로 로터리 압축기, 스크롤 압축기, 스크류 압축기 등을 적용할 수 있다.

상기 제2 압축기(220)는 인버터 드라이브 방식으로 구동되어 단위 시간당 냉매의 순환량이 조절될 수 있다.

상기 제2 응축기(230)는 수냉식 또는 공냉식으로 상기 압축된 상온 냉매를 냉각하여 그 중 적어도 일부를 응축시킬 수 있다. 바람직하게는 수냉식으로 구현된다.

상기 제2 팽창기(250)는 줄-톰슨 팽창 작용을 하는 기구이다.

상기 제2 팽창기(250)는 모세관, 전자식 팽창밸브(EEV), 온도식 자동팽창밸브(TEV), 수동 개도조절 방식 팽창밸브 등을 이용하여 구현할 수 있다.

상기 제2 증발기(210)는 상기 제1 열교환기(300)에 포함되어 상기 혼합 냉매와 열교환을 하여 증발할 수 있다.

상기 제1 열교환기(300)를 통과하면서 상기 혼합 냉매는 다시 그 적어도 일부가 응축될 수 있다.

상기 제1 냉매 회로(100) 및 제2 냉매 회로(200)는 각각의 내부에 상기 혼합 냉매 또는 상온 냉매가 외부와 격리되어 순환하는 폐쇄 회로 구조로 형성될 수 있다. 따라서 상기 각 냉매 회로의 각 구성 요소 간에는 냉매가 흐르는 배관이 연결될 수 있다. 다만 이는 통상의 기술자 입장에서 자명하게 이해할 수 있는 부분이므로 이하에서 연결 배관에 대한 설명은 생략하되 필요한 부분에서만 언급하기로 한다.

도 2의 a 내지 h는 제1 냉매 회로(100)의 각 위치에서의 혼합 냉매를 지칭한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 혼합 냉매는, 상기 제1 압축기(120)에서 토출(a)되어 상기 제1 응축기(130)에서 그 일부가 응축된 후 상기 제1 열교환기(300) 및 상기 제2 열교환기(400)를 순차적으로 통과할 수 있다(b-c-d).

상기 제2 열교환기(400)를 통과한 후 상기 혼합 냉매는 다시 상기 제1 배관 분기(140)를 거치면서 제1 부분(e)과 제2 부분(i)으로 나뉠 수 있다.

상기 제1 부분인 혼합 냉매는 상기 제1 팽창기(150) 및 상기 제1 증발기(110)를 순차적으로 통과할 수 있다(f-g).

상기 제2 부분인 혼합 냉매는 적어도 일부가 상기 제2 열교환기(400)로 인입될 수 있다.

상기 제2 열교환기(400)는 상기 제1 열교환기(300)를 통과한 상기 혼합 냉매(c)와 상기 제1 냉매 회로(100)의 제1 증발기(110)를 통과한 상기 제1 부분(g)을 열교환시킬 수 있다.

상기 제2 열교환기(400)는 복열기(Recuperator)로 구현될 수 있다. 상기 복열기 내에서 상기 혼합 냉매들의 흐름(c-d, g-h)은 서로 반대 방향일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라, 상기 제2 열교환기(400)에서는 또한 상기 제1 열교환기(300)를 통과한 상기 혼합 냉매(c)와 상기 제2 열교환기(400)를 통과하고 상기 제1 증발기(110)를 통과하지 않은 제2 부분(i)이 열교환할 수 있다.

이와 같은 열교환을 통해 상기 제2 부분(i)이 기화하여 상기 제1 압축기(120)로 액상으로 유입되어 제1 압축기(120)를 소손하거나 수명을 단축시키는 것을 방지할 수 있다.

또한 이와 동시에 상기 열교환을 통해 상기 제2 열교환기(400)를 통과한 혼합냉매(d)의 과냉을 확보함으로써 냉동 사이클의 효율 향상 및 신뢰성을 보장할 수 있게 된다.

상기 복열기 내에서 상기 혼합 냉매들의 흐름(c-d, i-h)은 서로 반대 방향일 수 있다.

상기 냉각 장치(10)는 상기 제1 냉매 회로(100) 및 상기 제2 냉매 회로(200) 중 적어도 하나의 구성요소 중 적어도 하나의 작동을 제어하는 제어부(700)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제어부(700)는 마이크로 프로세서 및 전자 회로를 포함하여 기설정된 기준에 따른 제어 판단을 위한 연산 작용을 하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제어부(700)는 기계식으로 제어 작용을 수행할 수도 있다. 통상의 기술자 입장에서 온도 또는 압력 감응식 On-Off 스위치 또는 그 조합을 이용하는 등의 방식으로 이를 구현할 수 있다.

도 3은 본 발명의 냉각 장치의 배관 구성의 실시 예들을 각각 설명하기 위한 도면이다.

도 3 (a)는 분지관을 이용한 배관 분기(140)의 실시 예를 의미한다. 본 실시 예의 경우 제1 팽창기(150) 개도 및/또는 제1 압축기(120)의 회전 수 조절에 따라 상기 제1 팽창기(150)를 통과하지 않게 되는 나머지 분량의 혼합 냉매(상기 제2 부분)가 상기 분지관에 의해 상기 제2 열교환기(400)로 진입할 수 있다.

실시 예에 따라 상기 제2 부분의 냉매가 흐르는 배관에는 솔레노이드 개폐 밸브(미도시)가 설치되어 필요에 따라 냉매의 흐름을 On-Off할 수 있다.

도 3 (b) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 냉매 회로(100)는, 상기 혼합 냉매의 상기 제2 부분의 유량을 조절하는 제1 유량 조절 수단(160)을 더 포함할 수 있다.

도 3 (b)는 배관분기(140)에 삼방 밸브를 설치한 실시 예를 나타낸다. 상기 삼방 밸브는 제1 유량 조절 수단(160)의 역할을 겸할 수 있으며, 상기 제어부(700)에 의해 제어될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 삼방 밸브는 냉매의 흐름을 어느 일방 및 타방으로 전환할 수 있다. 즉, 필요에 따라 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분의 유량을 0로 할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 삼방 밸브는 혼합 냉매의 흐름을 분배하되 그 분배된 냉매(상기 제1 부분 및 상기 제2 부분) 각각의 유량을 필요에 맞게 연속적 또는 단계적으로 조절하여 분배할 수 있다.

도 3 (c) 및 도 (d)는 상기 제2 부분의 유량을 조절하는 제1 유량 조절 수단(160)으로서 팽창기를 이용한 경우를 나타낸다. 다만, 도 3 (c)는 배관 분기에 상기 분지관을 도입한 경우를, 도 3 (d)는 본 발명의 바람직한 실시 예로서 배관 분기에 상기 삼방 밸브를 도입한 경우를 나타낸다.

상기 팽창기는 모세관, 전자식 팽창밸브(EEV), 온도식 자동팽창밸브(TEV), 수동 개도조절 방식 팽창밸브 등을 이용하여 구현할 수 있다.

상기 제1 유량 조절 수단(160)으로서 팽창기를 사용하는 경우, 상기 제2 부분은 상기 팽창기를 통과하면서 온도가 하강하면서 액적 상태(습증기)가 되고, 상기 제2 열교환기(400) 내에서 효과적으로 증발하면서 증발 잠열에 의해 상기 제2 열교환기(400)를 통과한 혼합냉매(d)의 과냉이 보다 효율적으로 확보되도록 할 수 있다.

상기 제1 유량 조절 수단(160)의 작동은 상기 제어부(700)에 의해 제어될 수 있다.

상기 제어부(700)는, 상기 제1 냉매 회로(100) 내부의 냉동 사이클의 상태 관련 정보를 기반으로 상기 제1 유량 조절 수단(160)의 개폐 상태 또는 개도를 제어할 수 있다.

상기 상태 관련 정보는 상기 혼합 냉매 중 적어도 일부의 과냉도일 수 있다.

상기 과냉도는 상기 제2 열교환기를 통과한 직후의 혼합 냉매(d)의 적어도 일부의 과냉도일 수 있다.

상기 상태 관련 정보는 상기 냉동 사이클의 기동 후 안정화 여부의 판단 정보일 수 있다.

냉각 장치(10)의 기동 초기에는 응축 작용이 원활하지 않아 냉동 사이클이 제대로 형성되지 않을 수 있다. 이 경우 제1 압축기(120)의 토출 압력 및/또는 토출 온도가 지나치게 상승하여 시스템 소손이 발생할 수 있다.

이에 따라 상기 토출 압력 및/또는 토출 온도를 적정 수준으로 유지하기 위해 혼합 냉매의 유량 또는 압력을 조절할 필요가 있을 수 있다.

본 발명에 따르면, 냉각 장치(10)의 기동 초기의 냉동 사이클이 안정화되지 않은 단계에서는 상대적으로 상기 제1 부분의 유량 대비 상기 제2 부분의 유량을 상기 냉동 사이클의 안정화 단계에서보다 증가시키는 것에 의해 상기 토출 압력 및/또는 토출 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있다.

이와 같이 배관 분기(140) 및 팽창기를 포함하는 제1 유량 조절 수단(160)을 이용하여 혼합 냉매를 상기 제1 부분과 상기 제2 부분으로 분배하고 그 유량을 조절하며, 상기 제2 부분을 습증기(액적 상태)로 만들어 줌으로써 상기와 같은 혼합 냉매의 과냉 확보, 제1 압축기(120)로의 액유입 방지, 기동 초기의 과열/과압 방지의 효과를 달성할 수 있다.

또한 이러한 장점은 상기 제1 팽창기(150)로 전자팽창밸브와 같은 자동 조절 방식의 팽창밸브를 적용하지 않는 실시 예의 경우에 더욱 부각될 수 있다.

특히 전자팽창밸브는 본 발명의 냉각 장치(10)와 같이 섭씨 -100도 이하의 극저온의 경우에 작동이 원활하지 못할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 제1 팽창기(150)는 전자팽창밸브가 아닐 수 있고, 본 발명의 냉각 장치(10)는 상기 배관 분기(140) 및 팽창기를 포함하는 제1 유량 조절 수단(160)을 통해 상기와 같은 혼합 냉매의 과냉 확보, 제1 압축기(120)로의 액유입 방지, 기동 초기의 과열/과압 방지의 효과를 충분히 달성할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 기동 후 안정화 여부의 판단은 시간을 기반으로 상기 제어부(700)에 의해 수행될 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 냉각 장치(10)의 기동 후 소정의 시간이 경과한 경우 안정화된 것으로 판단할 수 있다. 예를 들면 10분 내지 1시간의 범위에서 선택하여 설정할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 기동 후 안정화 여부의 판단은 온도 또는 압력을 획득하는 것을 기반으로 상기 제어부(700)에 의해 수행될 수 있다. 즉, 제1 압축기의 토출 온도, 토출 압력, 흡입 온도, 흡입 압력, 토출 과열도, 흡입 과열도와 같은 지표 중 적어도 하나가 소정의 범위 내로 소정의 시간 동안 유지되는 지를 판단하여 상기 안정화 여부가 판단될 수 있다. 상기 소정의 범위 및 소정의 시간은 실험 및/또는 상기 제1 압축기(120) 등 구성 요소의 설계 사양으로부터 미리 선정될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제1 유량 조절 수단(160)은 상기 제1 부분의 유량도 조절할 수 있다. 예를 들면 도 3의 (b) 또는 (d)의 실시 예가 이러한 경우일 수 있다.

상기 제어부(700)는, 상기 상태 관련 정보가 상기 냉동 사이클의 기동 후 초기의 안정화되지 못한 불안정한 상태를 나타내는 경우, 상기 제1 부분의 흐름을 차단하도록 상기 제1 유량 조절 수단(160)을 제어할 수 있다.

상기 제어부(700)는, 상기 상태 관련 정보가 사이 냉동 사이클이 안정된 상태를 나타내는 경우, 상기 냉동 사이클의 상기 과냉도가 소정의 기준을 만족하도록 상기 제1 부분의 유량 및 상기 제2 부분의 유량 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

상기 혼합 냉매는 제1 냉매, 상기 제1 냉매보다 비점(沸點)이 낮은 제2 냉매 및 상기 제2 냉매보다 비점(비등점)이 낮은 제3 냉매를 포함할 수 있다.

상기 제2 냉매의 응축 온도에서 상기 제3 냉매가 증발할 수 있다.

본 발명의 일실시 예에 따라 상기 제1 냉매 회로(100)의 냉동 사이클의 안정화 단계에서 상기 제1 냉매는 상기 제1 응축기(130)를 거치면서 적어도 일부가 응축될 수 있다.

본 발명의 일실시 예에 따라 상기 제1 냉매 회로(100)의 냉동 사이클의 안정화 단계에서 상기 제2 냉매 및 상기 제3 냉매는 상기 제1 열교환기(300) 및 상기 제2 열교환기(400)를 거치면서 적어도 일부가 응축될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제2 부분에 포함된 상기 제1 냉매 및 상기 제2 냉매는 습증기(液狀)으로 상기 제2 열교환기(400)로 인입되어 증발 후 상기 제2 열교환기(400)로부터 기상으로 토출할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제2 부분에 포함된 상기 제3 냉매는 습증기(濕蒸氣) 상태로 상기 제2 열교환기(400)로 인입되어 증발 후 상기 제2 열교환기(400)로부터 기상(氣狀)으로 토출할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제1 냉매는 표준증발온도가 -25℃ 내지 -42℃의 범위 내에 있는 단일 냉매 중에 선택될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 혼합 냉매에서 차지하는 상기 제1 냉매의 몰분율은 0.2일 수 있다. 다만 이 몰분율은 구체적인 설계에 따라 조정될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제2 냉매는 표준증발온도가 -70℃ 내지 -90℃의 범위 내에 있는 단일 냉매 중에 선택될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 혼합 냉매에서 차지하는 상기 제2 냉매의 몰분율은 0.1일 수 있다. 다만 이 몰분율은 구체적인 설계에 따라 조정될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제3 냉매는 표준증발온도가 -110℃ 내지 -135℃의 범위 내에 있는 단일 냉매 중에 선택될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 혼합 냉매에서 차지하는 상기 제3 냉매의 몰분율은 0.4일 수 있다. 다만 이 몰분율은 구체적인 설계에 따라 조정될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제3 냉매는 R-14, 즉 테트라플루오로메탄(CF4)일 수 있다. 또한 일 실시 예에 따라 혼합 냉매에서 차지하는 상기 R-14의 몰분율은 0.4일 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 혼합 냉매는 제4 냉매를 포함할 수 있다. 상기 제4 냉매는 불활성 기체 성분을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 혼합 냉매에서 차지하는 상기 제4 냉매의 몰분율은 0.3일 수 있다. 다만 이 몰분율은 구체적인 설계에 따라 조정될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 4에 도시된 실시 예는 냉각 장치(10)가 배관 분기(140)를 포함하지 않아 상기 혼합 냉매가 상기 제1 부분과 상기 제2 부분으로 분배되지 않는 경우이다.

이 경우, 냉동 사이클의 안정화 상태에서 상기 도 4의 1-1, 1-2, 3-1, 3-2 위치에서의 각 냉매의 상태는 아래 표와 같을 수 있다.

냉매	1-1	1-2	3-1	3-2
제1 냉매	액체	액체	액체	기체
제2 냉매	기체	액체	액체	기체
제3 냉매	기체	액체	기체	기체
제4 냉매	기체	기체	기체	기체

이와 같이 3-1 및 3-2 위치에서의 상기 제3 냉매의 상태는 모두 기체일 수 있다. 이에 따라 상기 3-1에서 3-2로 이어지는 상기 제2 열교환기(400) 내부의 구간에서 제3 냉매는 기체 상태를 유지하면서 상기 제1 부분의 열을 빼앗아 오게 된다. 즉 상변화 없는 현열 (Sensible heat)에 의한 것이므로 흡열량이 크지 않다.

이 실시 예의 특정 운전 조건에서 상기 위치 1-1에서의 냉매 온도는 섭씨 -6도, 1-2에서의 냉매 온도는 섭씨 -95도, 3-1에서의 냉매 온도는 섭씨 -98도, 3-2에서의 냉매 온도는 섭씨 -10도이다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 5에 도시된 실시 예는 냉각 장치(10)가 배관 분기(140) 및 제1 유량 조절 수단(160)을 포함하는 경우이다. 상기 제1 유량 조절 수단(160)은 바람직하게는 팽창기로 구현될 수 있다.

이 경우, 냉동 사이클의 안정화 상태에서 상기 도 5의 1-1, 1-2, 2-1, 2-2, 3-1, 3-2 위치에서의 각 냉매의 상태는 아래 표와 같을 수 있다.

냉매	1-1	1-2	2-1	2-2	3-1	3-2
제1 냉매	액체	액체	액체	기체	액체	기체
제2 냉매	기체	액체	액체	기체	액체	기체
제3 냉매	기체	액체	습증기	기체	기체	기체
제4 냉매	기체	기체	기체	기체	기체	기체

이와 같이 2-1 및 2-2 위치에서의 상기 제3 냉매의 상태는 각각 습증기 및 기체일 수 있다. 이에 따라 이에 따라 상기 2-1에서 2-2로 이어지는 상기 제2 열교환기(400) 내부의 구간에서 상기 제3 냉매는 습증기로부터 기체로 상변화를 일으키면서 상기 제1 부분의 열을 빼앗아 오게 된다. 즉 상변화를 일으키는 잠열 (Latent heat) 효과에 의한 것이므로 그 흡열량이 현열 효과에 의한 흡열량 보다 크게 된다.

이 실시 예의 특정 운전 조건에서 상기 위치 1-1에서의 냉매 온도는 섭씨 -6도, 1-2에서의 냉매 온도는 섭씨 -100도, 2-1에서의 냉매 온도는 섭씨 -110도, 2-2 및 3-2에서의 냉매 온도는 섭씨 -12도, 3-1에서의 냉매 온도는 섭씨 -98도이다. 즉, 상기 제1 부분의 온도는 상기 제1 배관 분기(140)와 상기 제1 팽창기(150) 사이의 구간에서 섭씨 -100 도 이하가 되도록 작동할 수 있다.

도 5의 실시 예의 경우, 상기 도 4의 실시 예와 비교하여 특정 운전 조건에서 위치 1-2에서의 냉매온도가 5도만큼 하강하였고, 그에 따라 과냉도 또한 커지게 됨을 알 수 있다.

또한 상기 위치 3-2에서의 혼합 냉매의 상태는 기체가 되어 상기 제1 압축기(120)로의 액 유입의 우려는 없다.

상기 제2 열교환기(400)에서, 상기 제1 증발기(110)를 통과한 상기 혼합 냉매(도 2의 g, 상기 제1 부분)와 상기 제2 열교환기(400)를 통과하고 상기 제1 증발기(110)를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매(도 2의 I, 상기 제2 부분)가 열교환할 수 있다.

이와 같이 제2 열교환기(400)에서는 3개의 내부 배관 사이에서 상호 열교환이 일어날 수 있다.

특히 상기와 같이 상기 제1 증발기(110)를 통과한 상기 혼합 냉매(도 2의 g, 상기 제1 부분)와 상기 제2 열교환기(400)를 통과하고 상기 제1 증발기(110)를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매(도 2의 I, 상기 제2 부분) 간의 열교환을 통해 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 온도가 비슷한 수준으로 맞추어 진 후 합류(도2의 h, 도 5의 3-2)하게 되므로, 합류하는 냉매의 온도 차에 의한 액적의 발생이나 제어 상의 어려움이 해소될 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치(10)는, 제3 열교환기(500)를 포함할 수 있다.

상기 제3열교환기(500)는, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기(300)를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매와 상기 제1 냉매 회로(100)의 제1 증발기(110)를 통과한 후 상기 제2 열교환기(400)를 통과한 상기 혼합 냉매를 열교환시킬 수 있다.

이와 같은 제3 열교환기 내부의 열교환을 통해 상기 제1 냉매를 더욱 응축시키거나 과냉을 적정 수준으로 확보하여 상기 제1 열교환기에서의 열교환 효율을 증가시키고, 상기 제1 압축기(120)로 흡입되는 냉매의 과열을 더욱 확보하거나 특정 운전 조건에서의 액 유입을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제2 열교환기(400)에서, 상기 제1 열교환기(300)를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기(400)를 통과하고 상기 제1 증발기(110)를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 혼합 냉매는, 상기 제1 압축기(120)에서 토출되어 상기 제1 응축기(130)에서 그 일부가 응축된 후 상기 제1 열교환기(300) 및 상기 제2 열교환기(400)를 순차적으로 통과할 수 있다.

상기 제2 열교환기(400)를 통과한 상기 혼합 냉매는 다시 상기의 제1 배관 분기(140)를 거치면서 상기 제1 팽창기(150) 및 상기 제1 증발기(110)를 순차적으로 통과하는 상기 제1 부분과 적어도 일부가 상기 제2 열교환기(400)로 인입되는 상기 제2 부분으로 나뉠 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2 부분은, 상기 제1 배관 분기(140) 및 상기 제2 열교환기(400)를 순차적으로 통과한 직후(위치 2-2)에 상기 제3 열교환기(500)로 인입하여, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기(300)를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매(r)와 열교환할 수 있다.

이와 같은 열교환을 통해 상기 제1 냉매의 응축 상태 또는 과냉 및 상기 압축기 입구에서의 과열도 또는 액유입 방지의 성능은 더욱 더 향상될 수 있다. 이러한 제3 열교환기(500) 내부의 열교환은 특히 기동 초기의 냉매 사이클이 안정화되지 못한 상황에서도 시스템의 소손 방지에 유리한 효과를 나타낸다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제1 냉매 회로(100)는 제2 배관 분기(170)를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 부분의 일부는 상기 제2 배관 분기(170)를 거쳐 t의 위치에 도달 후 상기 제3 열교환기(500)로 인입하여, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기(300)를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매(r)와 열교환할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제2 부분은, 상기 제1 배관 분기(140)를 통과한 직후 상기 제2 배관 분기(170)를 거친 후 그 일부가 상기 제2 열교환기(400)를 거치지 않고 상기 제3 열교환기(500)로 인입될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제2 부분은, 상기 제1 배관 분기(140)를 통과한 직후 상기 냉매 조절 수단(160)을 거치고, 다시 상기 제2 배관 분기(170)를 거친 후 그 일부가 상기 제2 열교환기(400)를 거치지 않고 상기 제3 열교환기(500)로 인입될 수 있다.

상기 제2 열교환기(400)에서, 상기 제1 증발기(110)를 통과한 상기 혼합 냉매(상기 제1 부분)와 상기 제2 열교환기(400)를 통과하고 상기 제1 증발기(110)를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매(상기 제2 부분)가 열교환할 수 있다.

상기 제3 열교환기(500)에서, 상기 제2 배관 분기(170)를 거쳐 상기 제3 열교환기(500)로 인입한 상기 제2 부분의 상기 일부가 상기 제1 냉매 회로(100)의 제1 증발기(110)를 통과한 후 상기 제2 열교환기(400)를 통과한 상기 혼합 냉매와 열교환할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 제3 열교환기(500)에서는 3개의 내부 배관 사이에서 상호 열교환이 일어날 수 있다.

특히 상기와 같이 상기 제2 배관 분기(170)를 거쳐 상기 제3 열교환기(500)로 인입한 상기 제2 부분의 상기 일부와 상기 제1 냉매 회로(100)의 제1 증발기(110)를 통과한 후 상기 제2 열교환기(400)를 통과한 상기 혼합 냉매 간의 열교환을 통해 각 냉매의 온도가 비슷한 수준으로 맞추어진 후 합류(도 7의 q)하게 되므로, 합류하는 냉매의 온도 차에 의한 액적의 발생이나 제어 상의 어려움이 해소될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각 장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제2 배관 분기(170)는 상기 제1 열교환기(300)와 상기 제3 열교환기(500)를 연결하는 배관에 형성될 수 있다.

상기 제1 열교환기(300)를 통과한 직후의 상기 혼합 냉매의 일부가 상기 제2 배관 분기(180)를 거쳐 상기 제3 열교환기(500)로 인입하고, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기(300)를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매와 열교환할 수 있다.

즉 상기 제1 열교환기(300)를 통과한 직후의 상기 혼합 냉매의 일부는 상기 제2 배관 분기(170)를 거쳐 u의 위치에 도달 후 상기 제3 열교환기(500)로 인입하여, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기(300)를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매(r)와 열교환할 수 있다.

제1 열교환기(300)를 통과한 직후의 혼합 냉매의 온도가 상기 제1 배관 분기(140)를 통과한 상기 제2 부분에 비해 온도가 높으므로, 상기 압축기(120)로 액유입이 되는 현상을 보다 효율적으로 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 상기 제1 냉매 회로(100)는 제2 유량 조절 수단(180)을 더 포함할 수 있다.

상기 혼합 냉매의 상기 일부는 상기 제2 배관 분기(170)를 거쳐 상기 제3 열교환기(500)로 인입하기 이전에 상기 제2 유량 조절 수단(180)을 통과할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이 상기 제2 유량 조절 수단(180)은 팽창기를 포함할 수 있다.

상기 제2유량 조절 수단(180)으로서 팽창기를 사용하는 경우, 상기 혼합 냉매는 상기 팽창기를 통과하면서 온도가 하강하면서 액적 상태(습증기)가 되고, 상기 제3 열교환기(500) 내에서 효과적으로 증발하면서 증발 잠열에 의해 상기 제3 열교환기(500)를 통과한 혼합 냉매(s)의 일부의 과냉도가 보다 효율적으로 확보되도록 할 수 있다.

상기 제어부(700)는 상기 제1 냉매 회로(100) 내부의 냉동 사이클의 상태 관련 정보를 기반으로 상기 제2 유량 조절 수단(180)의 개폐 상태 또는 개도를 제어하고 상기 혼합 냉매의 상기 일부의 유량을 조절할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 상기 상태 관련 정보는 상기 혼합 냉매 중 적어도 일부의 과냉도일 수 있다.

또한 상기 과냉도는 상기 제2 열교환기(400)를 통과한 직후의 혼합 냉매(d)의 적어도 일부의 과냉도일 수 있다.

또한 상기 과냉도는 상기 제3 열교환기(500)를 통과한 직후의 혼합 냉매(s)의 적어도 일부의 과냉도일 수 있다.

또한 상기 상태 관련 정보는 상기 냉동 사이클의 기동 후 안정화 여부의 판단 정보일 수 있다.

상기 제3 열교환기(500)에서, 상기 제2 배관 분기(170)를 거쳐 상기 제3 열교환기(500)로 인입한 상기 혼합 냉매의 상기 일부가 상기 제1 냉매 회로(100)의 제1 증발기(110)를 통과한 후 상기 제2 열교환기(400)를 통과한 상기 혼합 냉매와 열교환할 수 있다.

특히 상기와 같이 상기 제2 배관 분기(170)를 거쳐 상기 제3 열교환기(500)로 인입한 상기 혼합 냉매의 상기 일부와 상기 제1 냉매 회로(100)의 제1 증발기(110)를 통과한 후 상기 제2 열교환기(400)를 통과한 상기 혼합 냉매 간의 열교환을 통해 각 냉매의 온도가 비슷한 수준으로 맞추어진 후 합류(도 8의 q)하게 되므로, 합류하는 냉매의 온도 차에 의한 액적의 발생이나 제어 상의 어려움이 해소될 수 있다.

한편, 명세서 및 청구범위에서 "제 1", "제 2", "제 3" 및 "제 4" 등의 용어는, 만약 있는 경우, 유사한 구성요소 사이의 구분을 위해 사용되며, 반드시 그렇지는 않지만 특정 순차 또는 발생 순서를 기술하기 위해 사용된다. 그와 같이 사용되는 용어는 여기에 기술된 본 발명의 실시 예가, 예컨대, 여기에 도시 또는 설명된 것이 아닌 다른 시퀀스로 동작할 수 있도록 적절한 환경하에서 호환 가능한 것이 이해될 것이다. 마찬가지로, 여기서 방법이 일련의 단계를 포함하는 것으로 기술되는 경우, 여기에 제시된 그러한 단계의 순서는 반드시 그러한 단계가 실행될 수 있는 순서인 것은 아니며, 임의의 기술된 단계는 생략될 수 있고/있거나 여기에 기술되지 않은 임의의 다른 단계가 그 방법에 부가 가능할 것이다.

또한 명세서 및 청구범위의 "왼쪽", "오른쪽", "앞", "뒤", "상부", "바닥", "위에", "아래에" 등의 용어는, 설명을 위해 사용되는 것이며, 반드시 불변의 상대적 위치를 기술하기 위한 것은 아니다. 그와 같이 사용되는 용어는 여기에 기술된 본 발명의 실시 예가, 예컨대, 여기에 도시 또는 설명된 것이 아닌 다른 방향으로 동작할 수 있도록 적절한 환경하에서 호환 가능한 것이 이해될 것이다. 여기서 사용된 용어 "연결된"은 전기적 또는 비 전기적 방식으로 직접 또는 간접적으로 접속되는 것으로 정의된다. 여기서 서로 "인접하는" 것으로 기술된 대상은, 그 문구가 사용되는 문맥에 대해 적절하게, 서로 물리적으로 접촉하거나, 서로 근접하거나, 서로 동일한 일반적 범위 또는 영역에 있는 것일 수 있다. 여기서 "일 실시 예에서"라는 문구의 존재는 반드시 그런 것은 아니지만 동일한 실시 예를 의미한다.

또한 명세서 및 청구범위에서 '연결된다', '연결하는', '체결된다', '체결하는', '결합된다', '결합하는' 등과 이런 표현의 다양한 변형들의 지칭은 다른 구성요소와 직접적으로 연결되거나 다른 구성요소를 통해 간접적으로 연결되는 것을 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

또한 본 명세서에서 사용된 용어들은 실시 예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 명세서를 통해 개시된 모든 실시 예들과 조건부 예시들은, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자가 독자가 본 발명의 원리와 개념을 이해하도록 돕기 위한 의도로 기술된 것으로, 당업자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

한편, 상술한 본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 제조 방법은 프로그램 코드로 구현되어 다양한 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장된 상태로 각 서버 또는 기기들에 제공될 수 있다.

비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.

10: 냉각 장치
100: 제1 냉매 회로 110: 제1 증발기
120: 제1 압축기 130: 제1 응축기
140: 제1 배관 분기 150: 제1 팽창기
160: 제1 유량 조절 수단 170: 제2 배관 분기
180: 제2 유량 조절 수단
200: 제2 냉매 회로 210: 제2 증발기
220: 제2 압축기 230: 제2 응축기
250: 제2 팽창기
300: 제1 열교환기 400: 제2 열교환기
500: 제3 열교환기 600: 혼합냉매-냉각수 열교환기
700: 제어부
800: 유체순환회로 810: 순환펌프
900: 냉매-유체 열교환기 1000: 반도체 공정 장비

Claims

내부에 혼합 냉매가 순환하는 증기 압축식의 제1 냉매 회로;
내부에 상온 냉매가 순환하는 증기 압축식의 제2 냉매 회로;
외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태의 상기 혼합 냉매와 팽창 작용에 따른 액적 상태의 상기 상온 냉매가 열교환하는 제1 열교환기; 및
상기 제1 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제1 냉매 회로의 제1 증발기를 통과한 상기 혼합 냉매가 열교환하는 제2 열교환기를 포함하고,
상기 제2 열교환기에서,
상기 제1 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기를 통과하고 상기 제1 증발기를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환 가능한 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 냉매 회로는 제1 압축기, 제1 응축기, 제1 배관 분기, 제1 팽창기 및 상기 제1 증발기를 포함하고,
상기 혼합 냉매는,
상기 제1 압축기에서 토출되어 상기 제1 응축기에서 그 일부가 응축된 후 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기를 순차적으로 통과하고, 다시 상기의 제1 배관 분기를 거치면서 상기 제1 팽창기 및 상기 제1 증발기를 순차적으로 통과하는 제1 부분과 적어도 일부가 상기 제2 열교환기로 인입되는 제2 부분으로 나뉠 수 있는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 냉매 회로는,
상기 혼합 냉매의 상기 제2 부분의 유량을 조절하는 제1 유량 조절 수단을 더 포함하고,
상기 냉각 장치는,
상기 제1 유량 조절 수단의 작동을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 제1 냉매 회로 내부의 냉동 사이클의 상태 관련 정보를 기반으로 상기 제1 유량 조절 수단의 개폐 상태 또는 개도를 제어하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 상태 관련 정보는 상기 혼합 냉매 중 적어도 일부의 과냉도인 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 상태 관련 정보는 상기 냉동 사이클의 기동 후 안정화 여부의 판단 정보인 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제1 유량 조절 수단은 상기 제1 부분의 유량도 조절할 수 있고,
상기 제어부는,
상기 상태 관련 정보가 상기 냉동 사이클의 기동 후 초기의 불안정한 상태를 나타내는 경우, 상기 제1 부분의 흐름을 차단하도록 상기 제1 유량 조절 수단을 제어하고,
상기 상태 관련 정보가 사이 냉동 사이클이 안정된 상태를 나타내는 경우, 상기 냉동 사이클의 과냉도가 소정의 기준을 만족하도록 상기 제1 부분의 유량 및 상기 제2 부분의 유량 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 혼합 냉매는 제1 냉매, 상기 제1 냉매보다 비점(沸點)이 낮은 제2 냉매 및 상기 제2 냉매보다 비점이 낮은 제3 냉매를 포함하고,
상기 제2 부분에 포함된 상기 제1 냉매 및 상기 제2 냉매는 액상(液狀)으로 상기 제2 열교환기로 인입되어 증발 후 상기 제2 열교환기로부터 기상으로 토출하고,
상기 제2 부분에 포함된 상기 제3 냉매는 습증기(濕蒸氣) 상태로 상기 제2 열교환기로 인입되어 증발 후 상기 제2 열교환기로부터 기상(氣狀)으로 토출하고,
상기 제1 부분의 온도는 상기 제1 배관 분기와 상기 제1 팽창기 사이에서 섭씨 -100 도(-100°C) 이하가 되도록 작동하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 열교환기에서,
상기 제1 증발기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기를 통과하고 상기 제1 증발기를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환 가능한 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
내부에 혼합 냉매가 순환하는 증기 압축식의 제1 냉매 회로;
내부에 상온 냉매가 순환하는 증기 압축식의 제2 냉매 회로;
외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태의 상기 혼합 냉매와 팽창 작용에 따른 액적 상태의 상기 상온 냉매가 열교환하는 제1 열교환기;
상기 제1 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제1 냉매 회로의 제1 증발기를 통과한 상기 혼합 냉매가 열교환하는 제2 열교환기; 및
외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매와 상기 제1 냉매 회로의 제1 증발기를 통과한 후 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매가 열교환하는 제3 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 제2 열교환기에서,
상기 제1 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기를 통과하고 상기 제1 증발기를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환 가능한 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 10 항에 있어서,
상기 제1 냉매 회로는 제1 압축기, 제1 응축기, 제1 배관 분기, 제1 팽창기 및 상기 제1 증발기를 포함하고,
상기 혼합 냉매는,
상기 제1 압축기에서 토출되어 상기 제1 응축기에서 그 일부가 응축된 후 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기를 순차적으로 통과하고, 다시 상기의 제1 배관 분기를 거치면서 상기 제1 팽창기 및 상기 제1 증발기를 순차적으로 통과하는 제1 부분과 적어도 일부가 상기 제2 열교환기로 인입되는 제2 부분으로 나뉠 수 있는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 제2 부분은,
상기 제1 배관 분기 및 상기 제2 열교환기를 순차적으로 통과한 직후 상기 제3 열교환기로 인입하여, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매와 열교환하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 제1 냉매 회로는 제2 배관 분기를 더 포함하고,
상기 제2 부분의 일부는 상기 제2 배관 분기를 거쳐 상기 제3 열교환기로 인입하여, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매와 열교환하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 제2 부분은,
상기 제1 배관 분기를 통과한 직후 상기 제2 배관 분기를 거친 후 그 일부가 상기 제2 열교환기를 거치지 않고 상기 제3 열교환기로 인입되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 제2 열교환기에서,
상기 제1 증발기를 통과한 상기 혼합 냉매와 상기 제2 열교환기를 통과하고 상기 제1 증발기를 통과하지 않은 상기 혼합 냉매가 열교환하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 제3 열교환기에서,
상기 제2 배관 분기를 거쳐 상기 제3 열교환기로 인입한 상기 제2 부분의 상기 일부가 상기 제1 냉매 회로의 제1 증발기를 통과한 후 상기 제2 열교환기를 통과한 상기 혼합 냉매와 열교환하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 제1 냉매 회로는 제2 배관 분기를 더 포함하고,
상기 제1 열교환기를 통과한 직후의 상기 혼합 냉매의 일부가 상기 제2 배관 분기를 거쳐 상기 제3 열교환기로 인입하여, 외부와의 열교환을 통해 일부 응축된 상태이면서 상기 제1 열교환기를 통과하기 이전의 상기 혼합 냉매와 열교환하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 제1 냉매 회로는 제2 유량 조절 수단을 더 포함하고,
상기 혼합 냉매의 상기 일부는 상기 제2 배관 분기를 거쳐 상기 제3 열교환기로 인입하기 이전에 상기 제2 유량 조절 수단을 통과하고,
상기 냉각 장치는 상기 제1 냉매 회로 내부의 냉동 사이클의 상태 관련 정보를 기반으로 상기 제2 유량 조절 수단의 개폐 상태 또는 개도를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.