KR20080005700A - 유량제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유량제어장치에 관한 것이다.
본 발명은, 도관내의 차압발생요소를 사이에 두고 유체 유입측과 유출측간에 발생되는 차압값에 상응하는 검출유량값을 산출해 내고, 설정유량값과 비교하여, 그 유량 편차에 상응하는 연산개도율로 상기 도관 후단측의 개도율을 작동 제어하게 되는 유량제어부를 포함하는 유량제어장치에 있어서, 상기 설정유량값에 대한 정상적인 정상개도율을 산출해 내고, 상기 유량제어부로부터 전송되는 상기 연산개도율과 비교하여, 일정범위내에서 불일치하는 경우, 알람 또는 알람신호를 발생시키게 되는 오류감지부를 포함한다.
따라서, 차압발생요소에서 부분 막힘 등이 발생되어 유량제어부에서의 개도율 조정이 잘못 실시되는 것을 방지할 수 있게 되므로, 해당 유체를 공급받아 이용하는 제조장치측에서 제품불량이 야기되는 것을 방지하여 생산수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
유체, 유량, 제어, 차압, 막힘, 개도율, 슬러리, CMP

Description

유량제어장치{FLOW CONTROL APPARATUS}
도 1은 종래의 유량제어장치를 보여주는 개략도,
도 2는 종래의 유량제어장치에 대한 블록도,
도 3은 종래의 유량제어장치에서 차압발생요소측에 부분 막힘 발생시의 문제점을 설명하는 그래프,
도 4는 본 발명에 따른 유량제어장치를 보여주는 개략도,
도 5는 본 발명에 따른 유량제어장치에 대한 블록도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 도관 12 : 차압발생요소
20-1 : 유입측 압력측정수단 20-2 : 유출측 압력측정수단
22 : 유량제어부 24 : 개구구동수단
26 : 개구조절수단 28 : 오류감지부
본 발명은 유량제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 검출되는 유체의 차압값에 따라 후단측의 개도율을 조정하여 공급되는 유체의 유량이 조정되도록 하 는 유량제어부를 별도의 오류감지부를 이용하여 실시간으로 모니터링하여, 유량제어부가 비정상적으로 작동하는 경우 알람(alarm)을 발생시킴으로써, 유체의 비정상적인 공급을 차단하게 되는 유량제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 유체가 공급되는 도관상에는 제조 레시피(recipe) 등에 따라서 제조장치측으로 공급되는 유체의 유량을 실시간으로 조정하게 되는 유량제어장치가 구비되게 된다.
도 1은 종래의 유량제어장치의 일 예를 보여준다.
유체가 내부를 통해 흐르는 도관(10)상에는 유체 흐름에 대해 저항을 발생시켜 그 양측에 차압이 발생되도록 하는 차압발생요소(12)가 구비되며, 도면상에는 이 차압발생요소(12)로서 V자 형상의 웨지(wedge)가 도시되어 있다.
여기서, 웨지는 유로 단면적을 일부 차단하여 그를 기준으로 유체가 유입되는 상류측(도면상, 좌측)과 유체가 유출되는 하류측(도면상, 우측)간에 차압이 발생되도록 하며, 이때 발생되는 차압은 유체의 유량에 비례하게 된다.
물론, 차압발생요소(12)로는 기타 오리피스(orifice), 다공성 필터(filter), 노즐(nozzle), 모세관 등이 이용되기도 한다.
그리고, 전술한 차압발생요소(12)에 의해 발생되는 차압을 검출하기 위하여 차압발생요소(12)로부터 일정거리 이격된 상류측과 하류측의 도관(10)상에는 각각 압력측정수단(20-1, 20-2)이 구비되게 되며, 이 압력측정수단(20-1, 20-2)으로는 압력센서가 통상 이용되고 있으며, 압력센서는 해당 위치의 유체 압력을 측정하여 전송하게 된다.
이와 다르게, 압력측정수단(20-1, 20-2)으로 하나의 차압계가 이용될 수도 있으며, 이 경우에는 도관(10)의 상류측과 하류측의 특정위치에 연통되도록 연결되는 분기도관상에 하나의 차압계가 구비되어, 해당 차압계가 양측으로부터 가해지는 서로 다른 압력을 대비하여 직접 차압을 측정하여 전송하게 된다.
또한, 압력측정수단(20-1, 20-2)에 전기적으로 연결되도록 유량제어부(22)가 구비되게 되며, 이 유량제어부(22)는 양측의 압력측정수단(20-1, 20-2)으로부터 전송되는 유입측 압력값(P1)과 유출측 압력값(P2)을 이용하여, 그 차이(P1-P2)에 해당하는 차압값(ΔP)을 산출해 내고, 또한 해당 차압값(ΔP)을 이용하여 현재 흐르고 있는 유체의 유량을 산출해 내게 된다.
나아가, 유출측 압력측정수단(20-2)보다 좀 더 하류측의 도관(10)상에는 해당 도관(10)내의 유로 단면적(즉, 개도율)을 조정하여 공급되는 유체의 유량을 최종적으로 조정하게 되는 개구조절수단(26)이 구비되게 되며, 이 개구조절수단(26)으로는 밸브(valve)가 통상 이용되고 있다.
그리고, 개구조절수단(26)은 그 작동을 위한 구동력을 제공하게 되는 개구구동수단(24)에 연결되어 있으며, 이 개구구동수단(24)으로는 모터(motor), 솔레노이드(solenoid), 액츄에이터(actuator) 등이 이용되고 있고, 이 개구구동수단(24)은 전술한 유량제어부(22)의 작동 제어를 받게 된다.
이상과 같은 구성으로, 그 작용을 도 2를 참조로 설명하면, 유체는 소정압력으로 도관(10)내를 상류측(유입측)에서 하류측(유출측)으로 흘러 공급되게 되며, 이 과정에서 유체는 차압발생요소(12)를 통과하면서 흐름 저항을 받아 그 유입측과 유출측에서 압력 변화가 발생되게 되고, 즉 유체가 유로의 단면적이 갑자기 좁아지는 차압발생요소(12)를 통과하면서 그 압력이 강하되어 유입측과 유출측간에 압력 차이가 발생되게 된다.
따라서, 유입측과 유출측에 구비되어 있는 압력측정수단(20-1, 20-2)이 각각 유입측 압력값(P1)과 유출측 압력값(P2)을 측정하여 유량제어부(22)로 전송하면, 유량제어부(22)는 전송된 두개의 압력값(P1, P2)으로부터 그 차이(P1-P2)에 해당하는 차압값(ΔP)을 산출해 내고, 이어서 산출된 해당 차압값(ΔP)을 이용하여 베르누이 법칙과 질량보존의 법칙에 의거하는 계산식에 의해 현재 흐르고 있는 유체의 검출유량값을 산출해 내게 된다.
그리고, 유량제어부(22)는 사전에 또는 동시적으로 사용자에 의해 입력되거나 제조공정의 시스템으로부터 전송되어 입력되는 설정유량값을 갖고 있으므로, 위에서 산출된 검출유량값과 이 설정유량값을 비교하여, 그 차이에 해당하는 유량 편차를 구한 후, 이 유량 편차가 영(0)으로 되도록 하기 위한 연산개도율을 구한 다음, 해당 연산개도율에 상승하는 구동제어신호를 개구구동수단(24)측으로 송출하여, 해당 구동제어신호에 의해 개구구동수단(24)이 작동되어, 연결된 개구조절수단(26)이 개폐되도록 하는 것에 의해, 도관(10) 후단측의 유로 개구 정도가 변경되도록 하여, 결국 목표하는 설정유량값으로 실제 유량이 조정되도록 하게 된다.
덧붙여, 이상과 같은 유량제어장치에 있어, 도관(10)의 양측단부에는 플랜 지(flange)의 구조를 갖는 조인트(joint)부가 형성되어, 다른 도관들과 연결되도록 구성될 수 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 유량제어장치에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
즉, 유체내에 함유되어 있는 이물질이 차압발생요소(12)측에 부착되어 부분 막힘이 발생되거나, 유체내에 함유되어 있는 입자 등의 충돌에 의해 차압발생요소(12)가 변형되어 유로를 더욱 차단하게 되는 경우, 해당 차압발생요소(12)에 의한 흐름 저항은 더욱 커지게 되어 검출되는 유체의 차압값(ΔP)은 증가되게 되고, 따라서 유량제어부(22)는 증가된 검출차압값(ΔP)에 비례하여 실제 유량이 증가되는 것으로 판단하여 개구구동수단(24)을 작동 제어하여 개구조절수단(26)에 의해 후단측 유로가 더욱 폐쇄되도록 하게 된다.
그러나, 이와 같이 차압발생요소(12)측에서 부분 막힘 등이 발생되는 경우에는, 실제로는 그를 통과되는 유체의 유량이 감소되게 되는데, 이상과 같이 검출차압값(ΔP)만을 이용하여 실제 유량이 증가되는 것으로 잘못 판단하여 더욱 후단측의 유로를 폐쇄시키게 됨으로써, 결과적으로 유체가 제조장치측으로 원활히 공급되지 못하도록 하게 되는 문제가 발생되게 된다.
그 일 예로서, 반도체 제조장치인 CMP(Chemical-Mechanical Polisher ; 기계적 화학적 연마장치)에서 반도체 소자인 웨이퍼(wafer)에 대해 연마공정을 진행할 시, 연마제로서 연마용 입자를 함유하는 슬러리(slurry)를 이용하게 되고, 이러한 슬러리는 전술한 유체공급시스템을 통해 공급되게 되는데, 이상과 같이 해당 유체 공급시스템에 구비되어 있는 유체제어장치에서 필연적으로 부분 막힘이 발생되게 되면, 결국 해당 슬러리가 CMP측으로 원활히 공급되지 못하게 되어, 많은 매수의 웨이퍼에 대한 공정불량이 발생되게 됨으로써, 매우 심각한 손실을 초래하게 된다.
첨언하면, 도 3의 그래프를 통해 알 수 있는 바와 같이, 부분 막힘이 발생되는 경우에는 유량제어부(22)에 의한 제어 개도율이 정상시의 개도율에 비해 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 부분 막힘 등이 발생되어 유량제어부에 의한 개도율 제어상의 오류가 발생되는 것을 실시간으로 감지하여, 알람(alarm)을 발생시킴으로써, 유체의 비정상적인 공급을 사전에 차단하게 되는 유량제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유량제어장치는, 도관내의 차압발생요소를 사이에 두고 유체 유입측과 유출측간에 발생되는 차압값에 상응하는 검출유량값을 산출해 내고, 설정유량값과 비교하여, 그 유량 편차에 상응하는 연산개도율로 상기 도관 후단측의 개도율을 작동 제어하게 되는 유량제어부를 포함하는 유량제어장치에 있어서, 상기 설정유량값에 대한 정상적인 정상개도율을 산출해 내고, 상기 유량제어부로부터 전송되는 상기 연산개도율과 비교하여, 일정범위내에서 불일치하는 경우, 알람 또는 알람신호를 발생시키게 되는 오류감지부를 포함한다.
본 발명의 상기 목적과 여러가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 유량제어장치를 보여주는 개략도이고, 도 5는 그에 대한 블록도이다.
유량제어부(22)는 도관(10)내의 차압발생요소(12)를 사이에 두고 유체 유입측과 유출측에 구비되는 두개의 압력측정수단(20-1, 20-2)으로부터 측정되어 전송되는 검출압력값(P1, P2)을 이용하여 차압값(ΔP)을 산출해 낸 후, 해당 차압값(ΔP)으로부터 상응하는 검출유량값을 산출해 낸 다음, 해당 검출유량값과 외부로부터 입력되는 설정유량값을 비교하여, 그 차이에 해당하는 유량 편차를 구하고, 해당 유량 편차를 없애는 방향으로 개구구동수단(24)을 작동 제어하여, 해당 개구구동수단(24)에 연결된 개구조절수단(26)의 개폐에 의해 도관(10) 후단측의 유로 개도율이 적정하게 변경되도록 하게 된다.
그러나, 유체에 함유되어 있는 이물질이 차압발생요소(12)측에 부착되어 부분 막힘이 발생되거나, 유체내에 함유되어 있는 입자 등의 충돌에 의해 차압발생요소(12)가 변형되어 유로를 더욱 차단하게 되는 경우에는 차압값(ΔP)이 증가되게 되므로 유량제어부(22)는 증가된 차압값(ΔP)에 비례하여 실제 유량이 증가되는 것으로 잘못 판단하고, 개구구동수단(24)을 작동 제어하여 개구조절수단(26)에 의해 후단측 유로가 더욱 폐쇄되도록 함으로써, 결국 유체가 제조장치측으로 원활히 공급되지 못하도록 하게 되는 문제를 발생시키게 된다.
따라서, 본 발명에서는, 유량제어부(22)에 전기적으로 연결되도록 별도의 오류감지부(28)가 구비되어, 이 오류감지부(28)가 유량제어부(22)를 계속적으로 실시간 모니터링하여 이상과 같이 유량제어부(22)가 개도율 제어를 잘못 행하게 되는 경우를 감지하고, 외부로 알람을 발생시킴으로써, 심각한 문제 상황이 발생되지 않도록 하게 된다.
이를 위해, 오류감지부(28)는 그 연산을 위한 데이터로서, 사용자에 의해 입력되거나 제조공정의 시스템으로부터 전송되어 입력되는 설정유량값을 획득하고, 또한 유량제어부(22)로부터는 유입측 압력값(P1), 검출유량값, 연산개도율을 전송받아 획득하게 된다.
여기서, 물론, 설정유량값은 유량제어부(22)도 획득하므로, 직접 유량제어부(22)로부터 전송받아 획득할 수도 있다.
유량제어부(22)로부터 획득하는 검출유량값이란, 유량제어부(22)가 검출차압값(ΔP)으로부터 산출해 낸 현재 흐르고 있는 유체의 유량값을 의미한다.
그리고, 유량제어부(22)로부터 획득하는 연산개도율이란, 유량제어부(22)가 검출유량값과 설정유량값의 차이에 해당하는 유량 편차를 없애기 위해 이후 개구구동수단(24)의 작동 제어에 사용할 제어신호값을 의미한다.
따라서, 오류감지부(28)는 실시간으로 획득되는 설정유량값, 유입측 압력 값(P1) 및 검출유량값을 이용하여 소정의 계산식에 의해 정상개도율을 산출해 낸 다음, 산출된 정상개도율과 유량제어부(22)로부터 획득한 연산개도율을 비교하여, 일정범위내에서 불일치하는 경우, 유량제어부(22)로부터 획득한 연산개도율이 잘못된 것으로 판단하고, 외부로 알람을 발생시키게 된다.
이때, 오류감지부(28)는 사용자가 인식할 수 있는 경고음과 같은 알람을 발생할 수 있고, 또한 관련된 장치들측으로 전기적인 알람(이상)신호를 발생할 수도 있을 것이다.
나아가, 오류감지부(28)에서 정상개도율의 계산에 사용하는 계산식의 일예를 다음에 나타낸다.
정상개도율 = K + S + B
여기서, K는 "설정유량값의 범위에 따른 개도율 상수",
S는 "검출유량값의 변동값/설정유량값의 변동값",
B는 "유입측 압력값(P1)의 변동에 대한 보정값"이다.
이 계산식에 따르면, 일정 구간마다 설정유량값의 개도율 상수(K)는 유량 변화에 대한 유량변화율(S)과 압력변화에 대한 보정값(B)으로 증감이 보상되어 정상개도율의 값을 실시간으로 얻을 수 있게 되는 것이다.
한편, 이상의 계산식을 이용하지 않고, 오류감지부(28)는 도 3의 그래프에 나타난 "정상 상태"에 해당하는 "설정유량값에 대한 정상개도율의 값"을 미리 데이 터베이스로서 저장하고 있다가, 입력되는 설정유량값에 대한 정상개도율을 데이터베이스를 이용하여 확인하고, 이 정상개도율을 유량제어부(22)로부터 전송되는 연산개도율과 비교하여 서로 일정범위내에서 불일치할 경우, 알람을 발생하도록 간단히 구현될 수도 있을 것이다.
이로써, 본 발명에 따르면, 오류감지부(28)가 외부로 알람 또는 알람신호를 발생하여 사용자에 의하거나 관련된 장치들의 후속 작동에 의해 해당 유체가 제조장치측으로 잘못된 유량으로 공급되는 것이 차단되도록 하게 되므로, 해당 유체를 이용하는 제조장치에서 제품불량이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있게 된다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정과 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
본 발명에 따르면, 차압발생요소에서 부분 막힘 등이 발생되어 유량제어부에서의 개도율 조정이 잘못 실시되는 것을 방지할 수 있게 되므로, 해당 유체를 공급받아 이용하는 제조장치측에서 제품불량이 야기되는 것을 방지하여 생산수율을 향상시킬 수 있는 효과가 달성될 수 있다.

Claims (3)

  1. 도관내의 차압발생요소를 사이에 두고 유체 유입측과 유출측간에 발생되는 차압값에 상응하는 검출유량값을 산출해 내고, 설정유량값과 비교하여, 그 유량 편차에 상응하는 연산개도율로 상기 도관 후단측의 개도율을 작동 제어하게 되는 유량제어부를 포함하는 유량제어장치에 있어서,
    상기 설정유량값에 대한 정상적인 정상개도율을 산출해 내고, 상기 유량제어부로부터 전송되는 상기 연산개도율과 비교하여, 일정범위내에서 불일치하는 경우, 알람 또는 알람신호를 발생시키게 되는 오류감지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유량제어장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오류감지부는,
    상기 유량제어부로부터 상기 유체의 유입측 압력값과, 검출유량값을 획득하여 상기 정상개도율의 연산에 이용하는 것을 특징으로 하는 유량제어장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 정상개도율의 연산에 사용되는 계산식은,
    "정상개도율 = K + S + B",
    여기서, K는 "설정유량값의 범위에 따른 개도율 상수",
    S는 "검출유량값의 변동값/설정유량값의 변동값",
    B는 "유입측 압력값의 변동에 대한 보정값"인 것을 특징으로 하는 유량제어장치.
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