KR102562102B1 - 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템 - Google Patents

친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템 Download PDF

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Abstract

개시된 본 발명에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템은, 반도체 설비에 공급되는 쿨런트를 냉각 요구 온도에 따라 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템으로써, 상기 반도체 설비에서 회수되는 쿨런트를 저장하고 다시 공급하도록 하는 쿨런트 탱크(24), 상기 쿨런트 탱크에 저장된 쿨런트를 순환시키는 쿨런트 순환 펌프(26), 헬륨 및 오일을 포함하는 냉매를 압축하기 위한 압축기(1), 상기 압축기로부터 토출된 냉매에서 오일을 분리하는 오일 분리기(7), 및 일부가 상기 쿨런트 탱크 내에 위치하도록 설치되며, 상기 오일 분리기를 거쳐 오일이 제거된 압축된 고압의 냉매가 공급되어 단열 팽창과 냉각을 거친 후 압력이 낮아진 냉매를 배출시키는 실린더 구조의 냉각부(13~16)를 포함한다. 여기서 상기 냉각부(13~16)는 상기 쿨런트 탱크(24) 내에 위치된 부분의 적어도 일부가 냉각 플레이트(133)로 구성되며, 상기 냉각 플레이트(133)가 쿨런트와 직접 접촉함으로써 상기 냉매 냉각시 냉각 열량을 상기 냉각 플레이트를 통해 상기 쿨런트와 열교환하여 쿨런트를 냉각 시키게 된다.

Description

친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템{Cooling system for semiconductor facilities using eco-friendly refrigerant}
본 발명은 반도체 설비용 냉각 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 설비 냉각시 요구되는 쿨런트(coolant) 공급을 친환경 냉매를 사용하여 요구 온도 조건에 맞게 조절할 수 있도록 하는 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템에 관한 것이다.
반도체 제조 공정이 수행되는 척이나 챔버 등과 같은 반도체 설비를 일정 온도로 유지하거나 냉각(냉동)하기 위해 반도체 설비에 공급되는 쿨런트의 온도를 조절하는 냉각 시스템이 필요한데, 이와 같은 냉각 시스템은 보통 냉매와 쿨런트를 증발기에서 열교환시켜서 쿨런트를 요구 온도로 냉각시키게 된다.
한편 반도체 설비에서는 상당히 낮은 온도인 -85 ~ -100℃인 극저온을 요구하는 경우가 있은데, 이와 같은 낮은 온도로 조절하기 위해 일반적으로 HFC(수소불화탄소) 혼합냉매를 사용하게 된다. 그런데, HFC 혼합냉매는 오존층 파괴 지수(ODP)와 지구온난화 지수(GWP)가 높아 추후 규제 감축대상이므로 앞으로 친환경 냉매를 사용하는 것이 필요하다.
친환경 냉매로써 최근 헬륨 냉매를 사용하는 것에 대한 관심이 늘어나고 있는데, 헬륨은 지구온난화 지수(GWP)가 0인 가스로 Low GWP 냉매를 뛰어넘는 절대적인 친환경 냉매다. 헬륨 냉매를 이용하여 반도체 설비로 공급되는 쿨런트의 온도를 조절하는 것은 정밀한 온도 제어의 어려움, 특히 극저온까지 쿨런트의 온도를 낮출 수 있는 냉각 용량을 확보하기 어려운 점이 있다. 따라서, 하기 선행기술문헌과 같이 헬륨 가스를 이용한 냉각 방식은 헬륨 가스를 직접 냉각하고자 하는 대상에 공급하여 냉각하는 방식이므로, 그 대상이 한정적이고 온도 조절에 어려움이 있다.
공개특허공보 제10-2014-0059567호(2014.05.16. 공개)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 친환경 냉매를 이용하여 반도체 설비에 공급되는 쿨런트의 온도를 조절하며, 특히 온도 제어 범위를 확대하고 극저온까지 온도를 낮출 수 있도록 하는 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템은, 반도체 설비에 공급되는 쿨런트를 냉각 요구 온도에 따라 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템으로써, 상기 반도체 설비에서 회수되는 쿨런트를 저장하고 다시 공급하도록 하는 쿨런트 탱크; 상기 쿨런트 탱크에 저장된 쿨런트를 순환시키는 쿨런트 순환 펌프; 헬륨 및 오일을 포함하는 냉매를 압축하기 위한 압축기; 상기 압축기로부터 토출된 냉매에서 오일을 분리하는 오일 분리기; 및, 일부가 상기 쿨런트 탱크 내에 위치하도록 설치되며, 상기 오일 분리기를 거쳐 오일이 제거된 압축된 고압의 냉매가 공급되어 단열 팽창과 냉각을 거친 후 압력이 낮아진 냉매를 배출시키는 실린더 구조의 냉각부;를 포함한다. 여기서 상기 냉각부는 상기 쿨런트 탱크 내에 위치된 부분의 적어도 일부가 냉각 플레이트로 구성되며, 상기 냉각 플레이트가 쿨런트와 직접 접촉함으로써 상기 냉매 냉각시 냉각 열량을 상기 냉각 플레이트를 통해 상기 쿨런트와 열교환하여 쿨런트를 냉각 시키게 된다.
상기 냉각부의 유입단 및 유출단에는 냉각부로 공급 및 회수되는 냉매의 유량을 제어하는 공급 솔레노이드 밸브 및 회수 솔레노이드 밸브가 설치되며, 상기 냉각부는 복수개가 설치되고, 상기 공급 솔레노이드 밸브 및 회수 솔레노이드 밸브는 상기 냉각부에 대응하는 수만큼 복수개 설치된다. 여기서 상기 쿨런트의 냉각 온도 요구에 따라 적절한 수의 공급 솔레노이드 밸브 및 회수 솔레노이드 밸브를 개방 또는 폐쇄할 수 있다.
상기 냉각부와 공급 솔레노이드 밸브 및 회수 솔레노이드 밸브는 4개가 설치되어, 상기 쿨런트를 냉각 요구 온도에 따라 상대적인 중온(-15 ~ -35℃), 저온(-35 ~ -60℃), 초저온(-60 ~ -85℃), 극저온(-85 ~ -100℃) 범위로 선택하여 냉각시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템은, 냉매 순환 경로상 상기 냉각부 전단 및 후단의 교차지점에 설치되어, 상기 냉각부를 거친 냉매를 상기 냉각부로 유입되는 냉매와 열교환하여, 상기 냉각부를 거친 냉매의 냉각 폐열을 이용해 상기 냉각부로 유입되는 냉매의 온도를 낮추도록 하는 서브 쿨러;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템은, 냉매 순환 경로상 상기 압축기와 오일 분리기 사이에 설치되어, 상기 압축기로부터 토출된 냉매와 상기 쿨런트 탱크를 거쳐 반도체 설비로 유입되는 쿨런트와 열교환하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매의 폐열을 이용하여 쿨런트의 온도를 제어할 수 있도록 하는 핫 가스 열교환기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템은, 공정냉각수(P.C.W) 또는 외기를 이용해 응축수와 열교환하는 응축수 열교환기; 상기 응축수 열교환기와 열교환된 응축수를 저장하는 오일쿨링 탱크; 상기 오일쿨링 탱크에 저장된 응축수를 순환시키는 오일쿨링 순환펌프; 냉매 순환 경로상 상기 압축기와 오일 분리기 사이에 설치되어, 상기 압축기로부터 토출된 냉매와 상기 오일쿨링 탱크를 거친 응축수와 열교환하여, 상기 냉매 내의 오일을 응축시키는 제1 오일쿨러; 및, 상기 압축기의 오일 유출 포트와 오일 유입 포트를 연결하는 경로상에 설치되어, 상기 압축기에서 토출된 오일과 상기 오일쿨링 탱크를 거친 응축수와 열교환하여, 상기 압축기 운전중 가열된 압축기 오일을 냉각하여 다시 압축기로 공급하도록 하는 제2 오일쿨러;를 더 포함할 수 있다. 상기 오일쿨링 탱크를 거친 응축수는 상기 제1 오일쿨러와 제2 오일쿨러로 분기되어 유입되고, 상기 제1 오일쿨러와 제2 오일쿨러를 거친 응축수는 합쳐져서 상기 응축수 열교환기로 유입된다.
한편, 상기 제1 오일쿨러 및 제2 오일쿨러의 응축수 유입단과 상기 제1 오일쿨러 및 제2 오일쿨러의 응축수 배출단에는 바이패스유로가 설치되며, 상기 바이패스유로와 상기 제1 오일쿨러 및 제2 오일쿨러를 거쳐 상기 열교환기로 유입되는 경로의 교차지점에는 3-way 밸브가 설치되어 응축수 공급 유량을 조절할 수 있다.
상기 핫 가스 열교환기와 제1 오일쿨러는 분기 경로 상에 설치되어, 상기 압축기로부터 토출된 냉매는 상기 핫 가스 열교환기와 제1 오일쿨러로 분기되어 유입되되, 상기 핫 가스 열교환기를 거친 냉매와 상기 제1 오일쿨러를 거친 냉매는 합쳐져서 상기 오일 분리기로 유입되며, 상기 핫 가스 열교환기와 상기 제1 오일쿨러의 분기 경로 상에는 제1 핫 가스 밸브와 제2 핫 가스 밸브가 각각 설치되며, 상기 제1 핫 가스 밸브와 제2 핫 가스 밸브는 유입되는 냉매 유량이 서로 반비례하도록 동작할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템은, 냉매 유로상 상기 오일 분리기의 후단에 설치되어, 상기 오일 분리기를 거친 냉매에서 추가로 오일을 분리하는 서브 오일분리기;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 친환경 냉매를 사용하여 반도체 설비에 공급되는 쿨런트(coolant)의 온도를 조절하여 환경문제를 개선할 수 있는 효과가 있다. 여기서, 친환경 냉매의 압축, 팽창을 유도하여 냉매를 냉각하는 냉각부와 쿨런트 탱크 내의 쿨런트를 직접 접촉하도록 하여 냉매와 쿨런트를 열교환하므로써 열교환 효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 냉각부로 유입되는 친환경 냉매를 냉각부에서 배출되는 친환경 냉매와 열교환시켜 냉각부로 들어가는 친환경 냉매의 온도를 낮춰 친환경 냉매의 밀도를 최대한으로 높혀서, 동일한 냉각부 체적에서 친환경 냉매 밀도를 최대한으로 하여 더 많은 친환경 냉매의 압축, 팽창을 유도하여 냉각부의 냉각 효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면 냉각부와 이에 대응되는 공급 솔레노이드 밸브 및 회수 솔레노이드 밸브를 복수 개를 설치하고 개별적으로 제어가 가능하기 때문에, 쿨런트의 냉각 온도 요구에 따라 상대적인 중온(-15 ~ -35℃), 저온(-35 ~ -60℃), 초저온(-60 ~ -85℃), 극저온(-85 ~ -100℃) 범위로 선택하여 제어할 수 있으며, 일부 냉각부가 고장 등으로 교체나 수리가 필요할 경우 교체나 수리가 필요한 해당 냉각부만 교체 또는 수리하면 되므로, 상대적으로 수리가 간편한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템의 구성도,
도 2는 도 1의 냉각부의 냉각부의 구성 및 동작을 구체적으로 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템의 구성도,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템의 구성도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템은 반도체 제조 공정이 수행되는 척이나 챔버 등과 같은 반도체 설비를 일정 온도로 유지하거나 냉각(냉동)하기 위해 반도체 설비에 공급되는 쿨런트(coolant)의 온도를 조절하는 것인데, 상기 쿨런트의 온도 조절을 위해 종래의 HFC(수소불화탄소) 혼합냉매를 사용하는 것이 아니라 친환경 냉매를 사용하게 된다. 여기서 친환경 냉매는 주로 헬륨 가스 냉매를 기본으로 하나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 헬륨 가스 이외에 아르곤 가스 냉매, 네온 가스 냉매도 사용 가능하다.
이하 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템의 구조를 살펴보는데, 친환경 냉매를 헬륨 냉매로 예를 들어 설명하며, 또한 설명의 편의를 위해 시스템을 헬륨 냉매 유로, 쿨런트 유로, 응축수 유로로 구분하여 살펴보기로 한다. 응축수는 헬륨 냉매에 포함된 오일을 응축(냉각)시키는 역할을 한다.
헬륨 냉매 유로
헬륨 냉매 유로상에는 압축기(1), 핫 가스 열교환기(4), 제1 오일쿨러(5), 제1 핫 가스 밸브(3)와 제2 핫 가스 밸브(2), 오일 분리기(7), 서브 쿨러(8), 공급 솔레노이드 밸브(9~12) 및 냉각부(13~16)를 포함한다.
압축기(1)는 헬륨 가스 및 오일을 포함하는 냉매(헬륨 냉매)를 압축한다. 압축기(1)에는 헬륨 공급 포트, 오일 공급 포트, 냉매 배출 포트, 오일 배출 포트를 구비한다. 헬륨 공급 포트와 오일 공급 포트를 통해 각각 헬륨과 오일이 공급되고, 냉매로서 역할을 하는 헬륨와 오일의 압축된 혼합물은 냉매 배출 포트를 통해 배출된다.
핫 가스 열교환기(4)는 압축기(1)에서 토출(배출)된 냉매와 후수할 쿨런트 탱크(24)를 거친 쿨런트를 열교환하며, 따라서 냉매의 폐열을 이용해 쿨런트의 온도를 조절할 수 있어, 온도제어시 쿨런트 탱크(24) 내에 있는 히터(25)의 히팅시 필요한 에너지를 절감할 수 있게 된다.
제1 오일쿨러(5)는 압축기(1)로부터 토출된 냉매와 후술할 오일쿨링 탱크(31)를 거친 응축수와 열교환하여, 고온의 냉매에 포함된 오일을 응축시켜 후술할 오일 분리기(7)에서 냉매로부터 오일이 잘 분리되도록 한다. 제1 오일쿨러(5)의 냉매 유출단에는 온도센서(6)가 설치된다.
한편, 도시된 바와 같이 상기 핫 가스 열교환기(4)와 제1 오일쿨러(5)는 압축기에서 토출되는 냉매의 분기 경로 상에 설치되어, 압축기(1)로부터 토출된 냉매는 핫 가스 열교환기(4)와 제1 오일쿨러(5)로 분기되어 유입되되, 핫 가스 열교환기(4)를 거친 냉매와 상기 제1 오일쿨러(5)를 거친 냉매는 합쳐져서 오일 분리기7)로 유입된다.
그리고, 핫 가스 열교환기(4)와 제1 오일쿨러(5)의 분기 경로 상에는 각각 냉매의 유량을 조절하는 제1 핫 가스 밸브(3)와 제2 핫 가스 밸브(2)가 설치되는데, 상기 제1 핫 가스 밸브(3)와 제2 핫 가스 밸브(2)는 유입되는 냉매 유량이 서로 반비례하도록 동작되게 세팅된다. 즉 압축기(1)로부터 토출되는 냉매가 '100'이라고 했을 때, 제1 핫 가스 밸브(3)로 유입되는 냉매가 '50'이면 제2 핫 가스 밸브(2)로 유입되는 냉매는 '50'이고, 제1 핫 가스 밸브(3)로 유입되는 냉매가 '70'이면 제2 핫 가스 밸브(2)로 유입되는 냉매는 '30'이 된다. 이렇게 제1 핫 가스 밸브(3)와 제2 핫 가스 밸브(2)는 유입되는 냉매 유량이 서로 반비례하도록 동작되게 함으로써, 냉매 유량을 정밀하게 조절하여 냉매 순환량을 일정하게 유지시켜 본 발명의 냉동 시스템의 냉각 성능에 영향을 받는 문제를 개선할 수 있게 된다.
한편, 압축기(1)는 하단에 형성된 오일 배출 포트에서 압축기 운전 중 가열된 오일이 배출되는데, 제2 오일쿨러(21)은 이 가열된 오일을 오일쿨링 탱크(31)를 거친 응축수와 열교환하여 오일을 응축(냉각)시키게 된다. 제2 오일쿨러(21)를 거친 오일은 압축기(1)의 상단에 형성된 오일 공급 포트를 통해 다시 압축기(1)로 유입되어, 압축기 운전 중 발생하는 열을 식혀줘 압축기(1)가 과열되는 것을 방지한다. 제2 오일쿨러(21)의 냉매 유출단에는 온도센서(22)가 설치된다.
오일 분리기(7)는 핫 가스 열교환기(4)와 제1 오일쿨러(5)를 거친 냉매에서 오일을 분리하게 된다. 도시된 바와 같이 냉매에서 분리된 오일은 다시 압축기(1)로 유입되고, 오일이 분리된 냉매는 냉각부(13~16)로 유입된다.
서브 쿨러(8)는 냉매 순환 경로상 냉각부(13~16) 전단 및 후단의 교차지점에 설치되어, 냉매가 냉각부로 유입되기 전 냉각부를 거친 냉매와 열교환하여, 상기 냉각부를 거친 냉매의 냉각 폐열을 이용해 상기 냉각부로 유입되는 냉매의 온도를 낮추도록 한다.
즉 본 발명에서는 압축기(1)에서 토출되어 핫 가스 열교환기(4)와 제1 오일쿨러(5)를 거쳐 유입되는 50℃~90℃의 냉매와, 냉각부(13~16)에서 쿨런트와 열교환되고 토출되는 냉각 폐열(-80℃~20℃)의 냉매를 서브 쿨러(8)에서 열교환시켜, 냉각부(13~16)로 들어가는 헬륨 냉매의 온도를 낮춰 헬륨 냉매의 밀도를 최대한으로 높혀서, 동일한 냉각부(13~16) 체적에서 헬륨 냉매 밀도를 최대한으로 하여 더 많은 헬륨 냉매의 압축, 팽창을 유도하여 냉각부(13~16)의 냉각 효율을 높일 수 있게 된다.
냉각부(13~16)는 쿨런트가 저장되는 쿨런트 탱크(24) 내에 일부가 위치하도록 설치되어, 오일 분리기(7)와 서브 쿨러(8)를 거친 고압의 헬륨 냉매를 단열 팽창과 냉각을 거치도록 하여 쿨런트를 냉각시키도록 하며, 압력이 낮아진 냉매를 배출시킨다.
냉각부(13~16)의 유입단에는 냉각부로 유입되는 냉매의 유량을 제어하는 공급 솔레노이드 밸브(9~12)와 냉각부에서 배출되는 냉매의 유량을 제어하는 회수 솔레노이드 밸브(17~20)가 설치된다.
도 2는 도 1의 냉각부(13~16)의 구성 및 동작을 구체적으로 나타낸 도면인데, 냉각부는 실린더 구조를 갖게 되는데 구체적을 디스플레이서(132)를 구비하는 실린더 몸체(131)를 구비하며, 실린더 몸체(131)의 일부는 쿨런트 탱크(24)에 위치하게 된다. 한편, 쿨런트 탱크에 위치한 실린더 몸체(131)의 일부는 냉각 플레이트(133)로 구성되는데, 상기 냉각 플레이트(133)가 쿨런트와 직접 접촉함으로써 냉매 냉각시 냉각 열량이 냉각 플레이트(133)를 거쳐 쿨런트(C)로 전달되어 쿨런트를 냉각시키게 된다.
이를 구체적으로 살펴보면, (a) 냉각부(13~16)로 유입되는 압축된 고압의 헬륨 냉매는 실린더 몸체(131) 내부로 유입되고, (b) 디스플레이서(132)의 상승으로 실린더 몸체(131) 내의 헬륨 냉매는 단열팽창을 하게 되고, (c) 단열팽창으로 헬륨 냉매의 온도는 하강하고, 따라서 냉각 플레이트(133)의 온도 역시 하강하게 되며, (d) 냉각 플레이트(133)와 접촉하는 쿨런트 탱크(24) 내의 쿨런트(C)가 냉각 플레이트(133)의 냉각 열량을 흡수하여 냉각되고, 압력이 낮아진 헬륨 냉매는 디스플레이서(132)가 하강하면서 냉동부(13~16)를 빠져나오게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면 상기 냉각부(13~16)는 복수 개가 설치되고, 상기 공급 솔레노이드 밸브(9~12) 및 회수 솔레노이드 밸브(9~12)는 상기 냉각부에 대응하는 수만큼 복수 개 설치되는 것이 바람직하다. 이렇게, 냉각부와 그에 대응되게 공급 및 회수 솔레노이드 밸브를 복수 개 설치하여, 쿨런트의 냉각 온도 요구에 따라 적절한 수의 공급 솔레노이드 밸브 및 회수 솔레노이드 밸브를 개방 또는 폐쇄할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 온도 제어를 더 정확하고 넓은 범위로 제어하기 위해 상기 냉각부(13~16)와 공급 솔레노이드 밸브(9~12) 및 회수 솔레노이드 밸브(17~20)는 4개가 설치되는 것이 바람직하며, 따라서 상기 쿨런트를 냉각 요구 온도에 따라 상대적인 중온(-15 ~ -35℃), 저온(-35 ~ -60℃), 초저온(-60 ~ -85℃), 극저온(-85 ~ -100℃) 범위로 선택하여 냉각시킬 수 있게 된다. 쿨런트를 냉각 요구 온도에 따라서 4가지 범위로 구분하였는데, 이러한 온도의 멀티 제어는 쿨런트의 온도 또는 냉매의 용량을 제어하므로써 가능하다.
먼저 쿨런트의 온도를 제어하는 방법의 예를 들면, 극저온 모드에서는 공급 및 회수 솔레노이드 밸브 전체를 개방하여 냉매를 -100℃ 이하의 온도를 만들고, 쿨런트 탱크(24) 내의 히터(25), 압축기(1)의 폐열, 쿨런트 순환 펌프(26)의 순환량을 조절하여 온도센서(29)에서 감지하는 반도체 설비로 유입되는 쿨런트의 설정 온도가 -85℃ ~ -100℃ 사이가 되도록 정밀 제어한다.
초저온 모드에서는 3개의 공급 및 회수 솔레노이드 밸브를 개방하여 냉매를 -85℃ 이하의 온도를 만들고, 위 극저온 모드에서와 같은 방식으로 하여 온도센서(29)에서 감지하는 반도체 설비로 유입되는 쿨런트의 설정 온도가 -60℃ ~ -85℃ 사이가 되도록 정밀 제어한다.
저온 모드에서는 2개의 공급 및 회수 솔레노이드 밸브를 개방하여 냉매를 -60℃ 이하의 온도를 만들고, 위와 같은 방식으로 하여 온도센서(29)에서 감지하는 반도체 설비로 유입되는 쿨런트의 설정 온도가 -35℃ ~ -60℃ 사이가 되도록 정밀 제어한다.
중온 모드에서 1개의 공급 및 회수 솔레노이드 밸브를 개방하여 냉매를 개방하여 35℃ 이하의 온도를 만들고, 위와 같은 방식으로 하여 온도센서(29)에서 감지하는 반도체 설비로 유입되는 쿨런트의 설정 온도가 -15℃ ~ -35℃ 사이가 되도록 정밀 제어한다.
다음으로 냉매의 용략을 제어하는 방법, 인터버가 적용된 압축기(1)의 헬륨 냉매 토출량을 인버터로 조절하여 냉각 용량을 조절하고 설계 계산된 냉각 용량을 냉각부(13~16번) 멀티 운전 제어를 통해 개별 냉각 용량을 조절하여 냉동 용량 조절을 한다.
예를 들어, 극저온 모드에서는 4개의 공급 및 회수 솔레노이드 밸브를 전체 개방하고, 압축기(1)의 주파수를 65Hz로 운전하여 최대 냉각 용량으로 공급한다.
초저온 모드에서는 3개의 공급 및 회수 솔레노이드 밸브를 개방하고, 압축기(1)의 주파수를 55Hz로 운전하여 적정 용량으로 공급한다.
저온 모드에서는 2개의 공급 및 회수 솔레노이드 밸브를 개방하고, 압축기(1)의 주파수를 47Hz로 운전하여 적정 용량으로 공급한다.
중온 모드에서는 1개의 공급 및 회수 솔레노이드 밸브만을 개방하고 압축기(1)의 주파수를 40Hz로 운전하여 적정 용량으로 공급한다.
또한 본 발명에 의하면 냉각부(13~16)를 복수 개를 설치하여 온도별로 멀티 제어가 가능하기 때문에, 일부 냉각부가 고장 등으로 교체나 수리가 필요할 경우 교체나 수리가 필요한 해당 냉각부만 교체 또는 수리하면 되므로, 상대적으로 수리가 간편한 이점이 있다.
또한 전체 시스템을 중단 할 필요가 없이 나머지 정상 가동하는 냉동부를 가동할 수 있으므로, 전체 시스템 중단에 따른 손실을 줄일 수 있는 이점이 있다. 예를 들어, 1개 냉동부가 고장일 경우 극저온(-85℃ ~ -100℃) 제어는 불가능 하지만 나머지 3개 냉동부로 초저온(-60℃ ~ -85℃) 제어는 가능하다. 그리고, 2개 냉동부가 고장일 경우 초저온(-60℃ ~ -85℃) 제어는 불가능 하지만 나머지 2개 냉동부로 저온(-35℃ ~ -60℃) 제어가 가능하다. 그리고, 3개 냉동부가 고장일 경우 저온(-35℃ ~ -60℃) 제어는 불가능 하지만 나머지 1개 냉동부로 중온(-15℃~-35℃) 제어가 가능하다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면 4개의 냉각부(13~16)와 이에 대응되는 4개의 공급 솔레노이드 밸브(9~12) 및 회수 솔레노이드 밸브(17~20)가 적용되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 냉각부와 이에 대응되는 공급 및 회수 솔레노이드 밸브를 추가 장착하면 극저온 보다 더 낮은 온도의 냉각 용량제어가 가능할 수 있게 된다.
냉각부(13~16)를 거쳐 쿨런트와 열교환된 냉매는 회수 솔레노이트 밸브(17~20)를 거쳐 서브 쿨러(8)를 거친 후 압축기(1)로 다시 유입되며 순환을 반복하게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서 적용하는 냉각부(13~16)의 냉각 방법은 냉각부(13~16) 안에서 헬륨 냉매를 압축하고 팽창을 하여 냉각 열량을 얻는 것인데, 냉각부(13~16)의 냉각량이 추가적으로 더 필요할 경우 냉각부(13~16)의 압축, 팽창 체적이 추가적으로 필요하므로, 이는 결국 제조 비용의 상승과 부피가 커지게 되는 문제를 초래하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 동일한 사양의 냉각부(13~16)와 압축기(1)로 냉각량을 최대한으로 얻기 위하여 상기 서브 쿨러(8)를 적용하여, 냉각부(13~16)으로 유입되는 헬륨 냉매의 온도를 낮춰 헬륨 냉매의 밀도를 최대한으로 높혀서 동일한 냉각부(13~16) 체적에서 더 많은 양의 헬륨 냉매의 압축,팽창을 유도하여 냉각부(13~16번)의 냉각효율을 높일 수 있게 된다.
쿨런트 유로
쿨런트 유로 상에는 쿨런트 탱크(24), 쿨런트 순환 펌프(26), 전술한 핫 가스 열교환기(4) 및 각종 센서 즉, 설비측 쿨런트 유입단에 설치되어 쿨런트의 유량을 측정하는 유량센서(27), 쿨런트의 압력을 측정하는 압력센서(28), 쿨런트의 온도를 측정하는 온도센서(29) 및 설비측 쿨런트 유출단에 설치되어 쿨런트의 온도를 측정하는 온도센서(23)를 포함한다.
쿨런트 탱크(24)는 반도체 설비에서 회수되는 쿨런트가 일시 저장되며, 전술한 바와 같이 상기 냉각부(13~16)의 일부가 쿨런트 탱크(24) 내부에 위치하게 되어 쿨런트 탱크(24) 내의 쿨런트는 냉각부(13~16)와 직접 접촉하도록 열교환하여 냉각되게 된다. 쿨런트 탱크(24) 내에는 쿨런트의 온도 조절을 위해 히터(25)가 설치된다.
쿨런트 순환 펌프(26)는 쿨런트 탱크(24)에 저장된 쿨런트를 순환시켜 반도체 설비에 공급하고 회수시키도록 한다. 쿨런트 순환 펌프(26)는 인버터 펌프가 적용되는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이 쿨런트 탱크(24)에서 냉각된 쿨런트는 핫 가스 열교환기(4)를 거쳐 압축기(1)에서 토출된 냉매와 열교환된 후, 반도체 설비로 유입되게 된다.
응축수 유로
응축수 유로 상에는 오일쿨링 탱크(31), 오일쿨링 순환 펌프(32), 전술한 제1 오일쿨러(5)와 제2 오일쿨러(21) 및 응축수 열교환기(30-1)을 포함한다.
오일쿨링 탱크(31)는 응축수 열교환기(30-1)에 의해 열교환(냉각)된 응축수가 저장된다.
오일쿨링 순환 펌프(32)는 오일쿨링 탱크(31)에 저장된 응축수를 순환시키도록 한다. 오일쿨링 순환 펌프(32)는 인버터 펌프가 적용되는 것이 바람직하다.
도시된 바와 같이 오일쿨링 탱크(31)를 나온 응축수는 경로가 분기되어 제1 오일쿨러(5)와 제2 오일쿨러(21)로 유입된다. 전술한 바와 같이 제1 오일쿨러(5)로 유입되는 응축수는 압축기(1)로부터 토출되는 냉매와 열교환하여 냉매 내의 오일을 응축(냉각)시키게 되고, 제2 오일쿨러(21)로 유입되는 웅축수는 압축기(1)에서 토출된 오일과 열교환하여 상기 오일을 응축(냉각)시키도록 한다.
제1 오일쿨러(5)를 거친 응축수와 제2 오일쿨러(21)를 거친 응축수는 일정 지점에서 합류하여 응축수 열교환기(30-1)로 유입된다.
한편, 도시된 바와 같이 오일쿨링 탱크(31)를 나온 응축수는 제1 오일쿨러(5)와 제2 오일쿨러(21)를 거치지 않고 바이패스관으로 일부 유입되어, 제1 오일쿨러(5)를 거친 응축수 및 제2 오일쿨러(21)를 거친 응축수와 합류하여 응축수 열교환기(30-1)로 유입된다.
응축수 열교환기(30-1)는 수냉식 열교환기가 채용되는데, 따라서 외부로부터 공급되는 공정냉각수(P.C.W)와 응축수를 열교환하여, 제1 및 제2 오일쿨러를 거친 응축수를 냉각(응축)시키게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템을 나타난 것이다.
본 실시예의 경우 도 1의 일 실시예에서 응축기 경로상에 3-way 모터 밸브(33)가 추가로 설치되며 다른 구성은 동일하므로, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하고 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 제1 오일쿨러 및 제2 오일쿨러의 응축수 유입단과 상기 제1 오일쿨러 및 제2 오일쿨러의 응축수 배출단에는 바이패스유로가 설치되며, 상기 바이패스유로와 상기 제1 오일쿨러 및 제2 오일쿨러를 거쳐 상기 열교환기로 유입되는 경로의 교차지점에는 3-way 밸브(33)가 설치된다. 이렇게 3-way 밸브(33)를 설치하므로써, 바이패스관으로 유입되는 응축수와 제1 및 제2 오일쿨러(5,21)로 유입되는 응축수의 공급 유량을 일정하게 조절할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템을 나타난 것이다.
본 실시예의 경우 도 1의 일 실시예에서 서브 오일 분리기(7-1)가 추가로 설치되며 다른 구성은 동일하므로, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하고 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
서브 오일 분리기(7-1)는 냉매 유로상 오일 분리기(7)의 후단에 설치되어, 상기 오일 분리기(7)를 거친 냉매에서 추가로 오일을 분리하여 오일 회수 효율을 증가시킬 수 있게 된다. 즉, 오일 분리기(7)를 거친 냉매는 다시 서브 오일 분리기(7-1)로 유입되어 추가로 오일이 분리되고, 도시된 바와 같이 냉매에서 분리된 오일은 다시 압축기(1)로 유입되고, 오일이 분리된 냉매는 냉각부(13~16)로 유입된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템을 나타난 것이다.
본 실시예의 경우 도 1의 일 실시예에서 응축수 열교환기(30-2)가 수냉식 대신 공냉식 열교환기가 적용된 것이며 다른 구성은 동일하므로, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하고 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
따라서, 응축수 열교환기(30-2)는 외부로부터 공급되는 공기(외기)와 응축수를 열교환하여, 제1 및 제2 오일쿨러를 거친 응축수를 냉각(응축)시키게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
1. 압축기 4. 핫 가스 열교환기
5. 제1 오일쿨러 7. 오일 분리기
8. 서브 쿨러 9~12. 공급 솔레노이드 밸브
13~16. 냉각부 17~20. 회수 솔레노이드 밸브
21. 제2 오일쿨러 24. 쿨런트 탱크
26. 쿨런트 순환 펌프 30-1, 30-2. 응축수 열교환기
31. 오일쿨링 탱크 32. 오일쿨링 순환펌프

Claims (9)

  1. 반도체 설비에 공급되는 쿨런트를 냉각 요구 온도에 따라 냉각시킬 수 있는 냉각 시스템으로써,
    상기 반도체 설비에서 회수되는 쿨런트를 저장하고 다시 공급하도록 하는 쿨런트 탱크;
    상기 쿨런트 탱크에 저장된 쿨런트를 순환시키는 쿨런트 순환 펌프;
    헬륨 및 오일을 포함하는 냉매를 압축하기 위한 압축기;
    상기 압축기로부터 토출된 냉매에서 오일을 분리하는 오일 분리기;
    일부가 상기 쿨런트 탱크 내에 위치하도록 설치되며, 상기 오일 분리기를 거쳐 오일이 제거된 압축된 고압의 냉매가 공급되어 단열 팽창과 냉각을 거친 후 압력이 낮아진 냉매를 배출시키는 실린더 구조의 냉각부;
    냉매 순환 경로상 상기 압축기와 오일 분리기 사이에 설치되어, 상기 압축기로부터 토출된 냉매와 상기 쿨런트 탱크를 거쳐 반도체 설비로 유입되는 쿨런트와 열교환하여, 상기 압축기로부터 토출된 냉매의 폐열을 이용하여 쿨런트의 온도를 제어할 수 있도록 하는 핫 가스 열교환기;
    공정냉각수(P.C.W) 또는 외기를 이용해 응축수와 열교환하는 응축수 열교환기;
    상기 응축수 열교환기와 열교환된 응축수를 저장하는 오일쿨링 탱크;
    상기 오일쿨링 탱크에 저장된 응축수를 순환시키는 오일쿨링 순환펌프;
    냉매 순환 경로상 상기 압축기와 오일 분리기 사이에 설치되어, 상기 압축기로부터 토출된 냉매와 상기 오일쿨링 탱크를 거친 응축수와 열교환하여, 상기 냉매 내의 오일을 응축시키는 제1 오일쿨러; 및,
    상기 압축기의 오일 유출 포트와 오일 유입 포트를 연결하는 경로상에 설치되어, 상기 압축기에서 토출된 오일과 상기 오일쿨링 탱크를 거친 응축수와 열교환하여, 상기 압축기 운전중 가열된 압축기 오일을 냉각하여 다시 압축기로 공급하도록 하는 제2 오일쿨러;를 포함하며,
    상기 냉각부는 상기 쿨런트 탱크 내에 위치된 부분의 적어도 일부가 냉각 플레이트로 구성되며, 상기 냉각 플레이트가 쿨런트와 직접 접촉함으로써 상기 냉매 냉각시 냉각 열량을 상기 냉각 플레이트를 통해 상기 쿨런트와 열교환하여 쿨런트를 냉각 시키는며,
    상기 오일쿨링 탱크를 거친 응축수는 상기 제1 오일쿨러와 제2 오일쿨러로 분기되어 유입되고, 상기 제1 오일쿨러와 제2 오일쿨러를 거친 응축수는 합쳐져서 상기 응축수 열교환기로 유입되는 것을 특징으로 하는 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각부의 유입단 및 유출단에는 냉각부로 공급 및 회수되는 냉매의 유량을 제어하는 공급 솔레노이드 밸브 및 회수 솔레노이드 밸브가 설치되며,
    상기 냉각부는 복수개가 설치되고,
    상기 공급 솔레노이드 밸브 및 회수 솔레노이드 밸브는 상기 냉각부에 대응하는 수만큼 복수개 설치되어,
    상기 쿨런트의 냉각 온도 요구에 따라 적절한 수의 공급 솔레노이드 밸브 및 회수 솔레노이드 밸브를 개방 또는 폐쇄하는 것을 특징으로 하는 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각부와 공급 솔레노이드 밸브 및 회수 솔레노이드 밸브는 4개가 설치되어, 상기 쿨런트를 냉각 요구 온도에 따라 상대적인 중온(-15 ~ -35℃), 저온(-35 ~ -60℃), 초저온(-60 ~ -85℃), 극저온(-85 ~ -100℃) 범위로 선택하여 냉각시키는 것을 특징으로 하는 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    냉매 순환 경로상 상기 냉각부 전단 및 후단의 교차지점에 설치되어, 상기 냉각부를 거친 냉매를 상기 냉각부로 유입되는 냉매와 열교환하여, 상기 냉각부를 거친 냉매의 냉각 폐열을 이용해 상기 냉각부로 유입되는 냉매의 온도를 낮추도록 하는 서브 쿨러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 오일쿨러 및 제2 오일쿨러의 응축수 유입단과 상기 제1 오일쿨러 및 제2 오일쿨러의 응축수 배출단에는 바이패스유로가 설치되며,
    상기 바이패스유로와 상기 제1 오일쿨러 및 제2 오일쿨러를 거쳐 상기 열교환기로 유입되는 경로의 교차지점에는 3-way 밸브가 설치되어 응축수 공급 유량을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 핫 가스 열교환기와 제1 오일쿨러는 분기 경로 상에 설치되어, 상기 압축기로부터 토출된 냉매는 상기 핫 가스 열교환기와 제1 오일쿨러로 분기되어 유입되되, 상기 핫 가스 열교환기를 거친 냉매와 상기 제1 오일쿨러를 거친 냉매는 합쳐져서 상기 오일 분리기로 유입되며,
    상기 핫 가스 열교환기와 상기 제1 오일쿨러의 분기 경로 상에는 제1 핫 가스 밸브와 제2 핫 가스 밸브가 각각 설치되며, 상기 제1 핫 가스 밸브와 제2 핫 가스 밸브는 유입되는 냉매 유량이 서로 반비례하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    냉매 유로상 상기 오일 분리기의 후단에 설치되어,
    상기 오일 분리기를 거친 냉매에서 추가로 오일을 분리하는 서브 오일분리기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 냉매를 사용하는 반도체 설비용 냉각 시스템.
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KR20140059567A (ko) 2012-11-08 2014-05-16 엘지이노텍 주식회사 반도체 식각 장치
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