KR20110106238A - 가스 공급 및 사용을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

가스 공급 및 사용을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20110106238A
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KR1020110024793A
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저스틴 콜 게르몬드
케네쓰 레로이 버거스
크리스토스 사리기안니디스
마이클 데니스 맥케인
케이쓰 란달 페이스
헹 주
히샴 이 팔라
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 (a) 다량의 액화 가스를 수용하기 적합한 용기; (b) 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하거나 액화 가스로부터 에너지를 제거하는 적어도 하나의 열원; 및 (c) 열원을 동적으로 조절하고, 가스 출력을 유지 및 조절하기 위하여 공정 변수 피드백을 이용하도록 구성한 열원 컨트롤러를 포함하는, 가스 기화 및 공급 시스템에 관한 것이다. 공정 변수 피드백은 적어도 2개의 공정 변수의 캐스케이딩 순차 제어로부터 발생한다. 공정 변수는 압력, 온도, 및/또는 가스 출력 유속을 포함한다. 또한, 본 발명은 액화 상태의 가스, 예를 들어 초고순도 가스를 제어 방식으로 사용 현장, 예를 들어 반도체 제조 시설에 전달하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 고객 요구의 변동에 대한 더 빠른 가열 시스템 응답, 더 긴 히터 수명, 및 개선된 신뢰성을 제공한다.

Description

가스 공급 및 사용을 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR GAS SUPPLY AND USAGE}
본 발명은 가스, 예를 들어 초고순도 가스 기화 및 공급 시스템, 그리고 액화 상태의 가스를 제어 방식으로 사용 현장, 예를 들어 반도체 제조 시설에 전달하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 시스템 및 방법은 열원을 동적으로 조절하고, 사용 현장으로의 가스 출력을 유지 및 조절하기 위하여 공정 변수 피드백, 즉 온도, 압력 및/또는 가스 출력 유속을 이용한다.
전자 산업의 성장은 초고순도(UHP) 가스의 대량 공급에 대한 수요를 창출한다. 암모니아 및 실란과 같은 분자는 전자 산업에서 상이한 응용에 사용한다. 예를 들어, 암모니아는 갈륨 질화물 막의 유기 금속 화학 기상 증착(MOCVD) 성장에 사용하는 1차 가스 중 하나이다. NH3와 같은 특수 가스에 대한 유속 요건은 300㎜ LCD 및 LED 제조의 팽창으로 인해 강화되었다. 따라서, 고객들은 통상적인 실린더 가스 전달 시스템으로부터 벌크 특수 가스 공급(BSGS) 시스템으로 전환을 모색한다.
이와 같은 BSGS 시스템의 한 특정 예에서, 암모니아와 같은 낮은 증기압 가스는 수백 파운드 또는 수만 파운드 초과의 용량을 갖는 컨테이너, 예를 들어 ISO(International Standards Organization) 컨테이너, 탱커 등에 액체 형태로 저장한다. 벌크 탱크 컨테이너 내 액화 분자는 고객 현장에서 몇몇 가열 수단을 통해 가열 및 기화되고, 기화된 가스는 원하는 유속과 고순도로 전달된다. 생성물을 기화하는 데 필요한 화력은 고객 요구, 예를 들어 가스의 공급 유속, 및 주위 온도와 같은 주변 환경에 좌우된다. 고객 레시피에 의해 요구되는 공급 유속은 흔히 통상의 공정 동안 상당히 변한다.
전달된 가스의 순도는 BSGS 시스템에 대한 중요한 인자이다. UHP 가스는 수분, 금속 함량, 입자 등에 대한 엄격한 사양을 충족해야 한다. UHP 가스는 일반적으로 임의의 휘발성 분자의 경우 100ppb(parts per billion) 미만의 불순물 농도를 갖는다. 미립자(예를 들어 0.3 마이크로미터 초과의 크기) 농도는 일반적으로 가스 리터당 1 미만이고, 금속 불순물은 일반적으로 원소당 원자 단위로 10ppb 미만이다.
신뢰성 있는 성능을 보장하기 위하여, 고객 레시피에 동적으로 적응하기 위해 화력을 조절하는 것이 중요하다. 적당한 화력 조정의 실패는 공급 압력, 유속 및 순도의 붕괴를 야기할 수도 있다. 또한, 주위 온도와 같은 특정 주변 환경 파라미터는 특정 고객 요구에 필요한 화력에 영향을 미칠 수 있다.
현재 전자 산업에 사용하는 액화 가스 BSGS 가열 시스템은 주로 단일 공정 파라미터, 즉 온도 또는 용기 압력의 피드백에 기초하여 동작한다. 예를 들어 몇몇 시스템은 히터 온도 설정점에 기초하여 동작한다. 예를 들어 미국특허번호 6,614,009를 참조한다. 히터 온도 설정점은 일반적으로 오퍼레이터가 직접 입력한다. 많은 경우, 요구되는 온도 설정점은 지나치게 어림하거나 낮게 어림하고, 시스템은 끊임없이 온 및 오프하거나 요구되는 생성물 유속을 충족시키는 데 실패함으로써 성능이 떨어진다. 다른 시스템에서, 액화 가스의 온도는, 압력을 간접 측정하고, 증기압/온도 포화 곡선 알고리즘에 기초하여 상관시킴으로써 유도하지만, 히터 온도는 1차 제어 루프에서 고려되지 않는다. 예를 들어 미국특허번호 6,363,728을 참조한다. 또 다른 시스템에서, 화력은 온도 피드백과 압력 피드백 둘 다에 기초하여 제어한다. 예를 들어 미국특허번호 6,581,412를 참조한다.
상술한 시스템이 온도 및/또는 압력만을 피드백 파라미터로서 이용하여 고객의 생성물 인출 속도를 수용하는 데 필요한 최소 화력 및 온도를 조절하고 유지하는 것은 어렵다. 또한, 온도 및/또는 압력만을 피드백 파라미터로서 이용함으로써 시스템을 자동으로 스타트 업 및 램프 업(ramp up)하는 것은 어렵다.
그러므로 UHP 액화 가스 벌크 컨테이너 가열 시스템의 신뢰성을 개선할 필요가 있다. 특히, 고객 요구 및 주변 환경의 변동에 신뢰성 있는 가열 시스템 응답 시간을 보장하여, 고객 공정의 정지 및 히터 교체 빈도를 낮출 필요가 있다.
본 발명은 부분적으로
a. 다량의 액화 가스를 수용하기 적합한 용기;
b. 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하거나 액화 가스로부터 에너지를 제거하는 적어도 하나의 열원; 및
c. 상기 열원을 동적으로 조절하고, 가스 출력을 유지 및 조절하기 위하여 공정 변수 피드백 - 공정 변수 피드백은 적어도 2개의 공정 변수의 캐스케이딩 순차 제어로부터 발생함 - 을 이용하도록 구성한 열원 컨트롤러
를 포함하는, 가스 기화 및 공급 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 또한 부분적으로 액화 상태의 가스를 제어 방식으로 사용 현장에 전달하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은
(ⅰ) 다량의 액화 가스를 수용하는 용기를 제공하는 단계;
(ⅱ) 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하거나 액화 가스로부터 에너지를 제거하는 적어도 하나의 열원을 제공하는 단계;
(ⅲ) 열원을 동적으로 조절하고, 가스 출력을 유지 및 조절하기 위하여 공정 변수 피드백 - 공정 변수 피드백은 적어도 2개의 공정 변수의 캐스케이딩 순차 제어로부터 발생함 - 을 이용하도록 구성한 열원 컨트롤러를 제공하는 단계;
(ⅳ) 열원 컨트롤러가 공정 변수 피드백을 이용하여 열원을 조절함으로써 용기로부터의 가스의 흐름을 제어하는 단계; 및
(ⅴ) 가스를 사용 현장에 전달하는 단계
를 포함한다.
본 발명은 많은 장점을 제공한다. 본 발명은 UHP 액화 가스 벌크 컨테이너 가열 시스템의 화력을 동적으로 조정하여 동적인 고객 요구 패턴 및 주변 환경 파라미터를 수용하는 제어 시스템을 제공한다. 본 발명은 고객 요구의 변동에 대한 더 빠른 시스템 응답, 더 긴 히터 수명, 개선된 신뢰성 및 최소 오퍼레이터 개입을 제공한다.
온도 및/또는 압력만을 피드백 파라미터로서 이용하는 종래기술에 비해 본 발명의 제어 전략은 고객 기기 요구에 대한 임의의 변동에 더욱 민감하게 반응할 수 있다. 본 발명에 따르면, 화력은 온도, 용기 압력, 및/또는 가스 출력 유속 측정으로부터의 피드백을 이용하여 동적으로 조절한다. 가스 출력 생성물 유속의 임의의 변화는 물질 균형 때문에 용기 압력에 즉시 영향을 미칠 것이고, 이어서 기상/액상 평형 및 열 전달을 통해 액화 가스의 온도에 간접적으로 영향을 미칠 것인데, 이는 특히 ISO 컨테이너와 같은 큰 용기의 경우 더 느린 공정이다. 그러므로 본 발명에 따라 압력 및/또는 유속 제어와 온도 제어를 캐스케이딩함으로써 생성물 인출 속도의 임의의 변화를 즉시 포착하고, 고객 요구의 변동에 빠른 응답을 가능하게 한다. 빠른 시스템 응답은 고객 공정의 중단되지 않는 동작을 보장한다.
또한, 본 발명은 히터가 최소 오퍼레이터 개입으로 램프-업 공정 또는 온라인 동작 동안 요구되는 최소 전력으로 작동하게 한다. 본 발명에서 2-레벨 및 3-레벨 캐스케이딩 순차 제어는 고객 요구에 더욱 민감하게 응답하고, 전력 출력은 요구되는 유속으로 생성물을 기화하는 데 필요한 에너지에 더욱 근접하게 일치한다. 이는 과열, 예를 들어 히터 연소를 방지하고, 히터 수명 및 신뢰성을 개선하는 것을 돕는데, 히터 수명은 일반적으로 히터가 더 높은 전력으로 작동하는 경우 감소하기 때문이다. 탱크를 과열시키지 않는 것으로부터의 또 다른 장점은 증기 스트림 내 수분 불순물을 증가시킬 수 있는 탱크상의 열점 및 핵비등을 방지하는 것이다.
본 발명의 또 다른 고유한 특징은 자동으로 스타트하여 최대 속도까지 램프 업하는 능력인데, 이는 2-레벨 또는 3-레벨 캐스케이딩 순차 제어를 이용하여 고객 요구(예를 들어 스타팅 업 또는 램핑 업)의 동적인 변화 동안 요구되는 최소 전력을 결정하는 능력을 통해 가능하게 된다. 최소 오퍼레이터 개입으로 인해 플랜트 속도 컨트롤러를 배치해 시스템 온도, 압력 및 흐름을 조작하여 시스템의 초기 상태로부터 고객 최대 유속의 100%까지 흐름을 증가시킨다. 종래기술은 고객 요구에 정확하게 응답하는 동일한 능력이 없으므로 더욱 많은 오퍼레이터 개입이 필요할 수도 있고, 이는 화력을 높게 조정하거나 낮게 조정할 가능성을 증가시킨다.
개선된 시스템 신뢰성은 고객 공정의 정지 및 히터 교체 빈도, 예를 들어 히터 연소 빈도를 낮춘다. 본 발명은 고객 요구의 동적인 변화 동안 요구되는 최소 전력을 제공한다는 점에서 BSGS 시스템에 대한 기존의 제어 전략에 비해 우수하다. 이는 불충분한 증기 생성물 공급으로 인한 시스템 정지에 대한 가능성을 감소시킴으로써 고객에 대한 공정 비용을 줄인다. 추가로, 본 발명은 히터를 요구되는 가장 낮은 전력으로 작동시킴으로써 히터 열하를 완화하기 때문에 고객에 대한 BSGS의 소유 비용도 줄인다.
도 1은 본 발명의 가스 기화 및 공급 시스템에 유용한 한 열원 컨트롤러의 개략적인 표현이다.
본 발명에서 사용하는 초고순도(UHP)는 10억당 약 100부 미만, 바람직하게는 10억당 약 50부 미만, 더욱 바람직하게는 10억당 약 10부 미만의 분자 불순물 및 1조당 약 1000부 미만, 바람직하게는 1조당 약 500부 미만, 더욱 바람직하게는 1조당 약 10부 미만의 금속 불순물을 갖는 가스 또는 액체를 의미한다. 가장 바람직하게는, UHP 가스 및 액체는 10억당 약 10부 미만의 분자 불순물 및 1조당 약 10부 미만의 금속 불순물을 갖는다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 부분적으로
(a) 다량의 액화 가스를 수용하기 적합한 용기;
(b) 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하거나 액화 가스로부터 에너지를 제거하는 적어도 하나의 열원; 및
(c) 상기 열원을 동적으로 조절하고, 가스 출력을 유지 및 조절하기 위하여 공정 변수 피드백 - 공정 변수 피드백은 적어도 2개의 공정 변수의 캐스케이딩 순차 제어로부터 발생함 - 을 이용하도록 구성한 열원 컨트롤러
를 포함하는, 가스 기화 및 공급 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 2개 또는 3개의 피드백 레벨, 즉 온도, 압력, 및/또는 가스 출력 유속을 이용하는 캐스케이딩 순차 제어를 통해 UHP 액화 가스 벌크 컨테이너 가열 시스템의 신뢰성 있는 제어를 제공한다. 캐스케이딩 순차 제어의 기본 원리는 본질적으로 2개 및 3개의 피드백 변수에 대하여 동일하다. 본 발명은 고객 요구 및 주변 환경의 변동에 대한 시스템 응답 시간을 개선한다. 본 발명은 또한 중단되지 않는 가스 공급을 유지하는 데 필요한 히터 온도를 최소화함으로써 히터 신뢰성을 최적화한다. 열원은 고객이 요구하는 유속으로 액화 가스를 기화할 정도로 충분한 전력을 제공하도록 동적으로 조정한다.
본 발명에서 사용하는 "동적으로" 및 "동적인"은 연속적으로 또는 연속적인 것을 의미한다. 예를 들어, "동적으로 조정" 또는 "동적으로 조절"은 고객이 요구하는 유속으로 액화 가스를 기화할 정도로 충분한 전력을 제공하도록 열원을 연속적으로 조정 또는 조절하는 것을 의미한다. 동적인 조정 및/또는 조절은 온도, 용기 압력, 및/또는 가스 출력 유속 측정으로부터의 피드백을 이용하여 순차 제어를 캐스케이딩함으로써 실행한다. 가스 출력 생성물 유속의 임의의 변화는 물질 균형 때문에 용기 압력에 즉시 영향을 미칠 것이고, 이어서 기상/액상 평형 및 열 전달을 통해 액화 가스의 온도에 간접적으로 영향을 미칠 것인데, 이는 특히 ISO 컨테이너와 같은 큰 용기의 경우 더 느린 공정이다. 그러므로 본 발명에 따라 압력 및/또는 유속 제어와 온도 제어를 캐스케이딩함으로써 생성물 인출 속도의 임의의 변화를 즉시 포착하고, 고객 요구의 변동에 대한 빠른 응답을 가능하게 한다. 이와 같은 빠른 시스템 응답은 고객 공정의 중단되지 않는 동작을 보장한다.
온라인 동작 동안, 화력은 2개 또는 3개의 피드백 레벨을 이용하는 캐스케이딩 순차 제어를 통해 동적으로 조정한다. 제어의 제1 레벨은 온도에 기초하고, 제2 레벨은 용기 압력에 기초하고, 제3 레벨은 가스 전달 유속에 기초한다. 캐스케이딩 순차 제어는 1차 컨트롤러의 출력이 2차 컨트롤러의 설정점을 조작하는 데 이용된다는 점을 의미한다. 예를 들어, 1차 컨트롤러에 대한 설정점은 오퍼레이터가 설정하고, 1차 컨트롤러는 설정점 및 1차 컨트롤러의 공정 변수에 기초하여 1차 컨트롤러의 출력을 계산하고, 1차 컨트롤러의 출력은 2차 컨트롤러의 설정점을 설정한다. 또 다른 예에서, 오퍼레이터가 설정한 개별 설정점을 이용하여 상이한 공정 변수를 각각 제어하는 2개의 1차 컨트롤러("A" 및 "B")가 존재할 수 있다. A와 B의 출력을 특정 기준에 기초하여 비교하고, 출력들 중 하나만을 선택하여 2차 컨트롤러의 설정점을 설정한다. 본 발명에서 이용하는 캐스케이딩 순차 제어는 고객 요구의 변동에 대한 더 빠른 시스템 응답, 더 긴 히터 수명(예를 들어 히터 연소 빈도 감소), 개선된 신뢰성 및 최소 오퍼레이터 개입을 제공한다. 본 발명에서 사용하는 "온라인" 동작은 가스가 용기로부터 사용 현장으로 흐르고 있는 가스 기화 및 공급 시스템의 동작을 의미한다.
본 발명에 따르면, 화력은 2개 또는 3개의 피드백 레벨(온도, 압력 및 가스 출력 생성물 유속)을 이용하는 캐스케이딩 순차 제어를 통해 동적으로 조정한다. 화력 조정을 피드백 파라미터에 연관시키는, 실험 데이터 및 하나 이상의 알고리즘 중 적어도 하나를 제공한다. 제어의 2개 또는 3개의 피드백 레벨을 이용함으로써, 화력은 고객이 요구하는 유속으로 생성물을 기화할 정도로 충분한 전력을 제공하도록 동적으로 조정하고, 그러므로 히터 온도는 최소화될 수 있다. 온도 제어, 압력 제어, 및 가스 출력 유속 제어는 피드백 제어 방식을 이용함으로써 달성한다.
한 실시양태에서, 히터의 화력은 액화 가스를 함유하는 가열된 용기의 온도 및 압력을 이용하여 캐스케이드 순차 제어를 통해 제어한다. 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러와 같은 온도 컨트롤러는 화력을 조정하여 온도 설정점과 온도 피드백 신호, 예를 들어 열전대로 측정한 히터 온도 간의 차를 최소화한다. 온도 컨트롤러는 압력 컨트롤러와 캐스케이드 관계이고, 압력 컨트롤러는 용기 압력 피드백 신호를 이용하고, 용기 압력과 사전설정된 압력 설정점 간의 차에 기초하여 온도 컨트롤러에 대한 온도 설정점의 형태로 출력을 계산한다. 화력을 이러한 방식으로 조정하여, 용기 압력은 사전설정된 압력 설정점으로 유지할 수 있다.
온라인 동작의 2개 레벨 캐스케이드 제어, 예를 들어 온도 및 압력의 경우, 온도 설정점은 압력 컨트롤러가 자동으로 조정하고, 오퍼레이터 입력을 필요로 하지 않는다. 오퍼레이터는 단지 압력 설정점을 설정할 필요가 있는데, 압력 설정점은 고객 요건 및 가스 공급 시스템과 사용 현장 간의 전달 라인에 걸친 증기의 압력 강하에 의해 결정한다. 예를 들어 고객이 사용 현장에서 130psig의 압력을 요구하고, 전달 라인에 걸친 증기의 압력 강하가 약 5psig인 경우, 150psig의 압력 설정점을 이용할 수 있다. 135psig의 설정점이 충분할 것이지만, 상류에서 더 높은 압력을 갖고, 사용 현장에서 이를 아래로 조절하는 것이 바람직하다.
온라인 동작의 3개 레벨 캐스케이드 제어, 예를 들어 온도, 압력 및 유속의 경우, 온도 설정점은 역시 오퍼레이터 입력을 필요로 하지 않는다. 압력 설정점은 2개 레벨 캐스케이드 제어에 대하여 상술한 방식과 동일한 방식으로 결정한다. 흐름 설정점은 오퍼레이터 입력을 필요로 하거나 필요로 하지 않을 수도 있다. 예를 들어, 고객 요구가 변함에 따라 흐름 컨트롤러가 컨테이너 압력 컨트롤러 출력 신호와 연속적으로 비교되는 흐름 컨트롤러의 출력 신호를 조정하는 후술하는 도 1의 실시양태에서, 오퍼레이터는 흐름 설정점을 고객이 요구하는 평균 유속으로서 설정할 수 있다. FIC를 고객 요구 급증의 경우에만 사용하는 후술하는 또 다른 실시양태에서, 흐름 설정점은 필요하지 않다.
안정하고 중단되지 않는 동작을 보증하기 위하여, 컨테이너 내 기상의 압력(공급 압력)을 특정 값으로 유지하는 것이 바람직하다. 공급 압력은 액상의 기화와 증기 인출 간의 균형에 좌우된다. BSGS 시스템으로부터의 가스 사용 패턴은 일반적으로 고객 레시피 및 공정에 따라 다양한 증기 인출 속도를 요구한다. 기화 속도는 화력에 좌우되므로, 전력 출력 및 증기 인출은 컨테이너 내 정상 압력을 유지하도록 조정해야 한다. 특정 전력 출력에 대응하는 기화 속도가 증기 인출 속도와 동일한 경우, 압력은 유지될 수 있고, 이러한 조건하의 증기 인출 속도는 지속성 유속으로 부른다.
그러나 증기 인출 속도가 증가하고, 전력 출력이 일정하게 유지되는 경우, 기화는 증기 인출을 따라잡을 수 없고, 공급 압력은 감소할 것이고, 그 반대의 경우도 가능하다. 압력 변화 속도는 기화/전력 출력과 증기 인출 속도 간의 불균형 정도를 반영한다. 그러므로 실험 데이터 및 하나 이상의 알고리즘 중 하나를 이용하여 압력 변화 속도 및/또는 증기 인출 속도에 따라 전력 출력을 조정함으로써, 공급 압력은 원하는 값으로 유지할 수 있고, 시스템은 안정한 방식으로 작동할 수 있다.
도 1에 도시한 제어 로직은 본 발명의 가스 기화 및 공급 시스템에 유용한 열원 컨트롤러에 대한 것이다. 도 1에 도시한 시스템의 동작 동안, 화력은 3개 레벨을 이용하는 캐스케이딩 순차 제어를 통해 조정한다. 제어의 제1 레벨은 온도에 기초하고, 제2 레벨은 용기 압력에 기초하고, 제3 레벨은 가스 전달 유속에 기초한다. 제어의 제1 레벨(TIC 1 및 SCR-1)은 화력을 조정하여 가열 요소에 대한 온도를 특정 설정점으로 유지한다. 제어의 제2 레벨(PIC)은 고객 요구 및/또는 주위 온도와 같은 주변 환경의 변동에 기인한 용기 압력의 임의의 변화를 감지하고, 실험 데이터 또는 특정 사전설정된 알고리즘에 기초하여 동적으로 온도 설정점을 조정한다. 제어의 제3 레벨(FIC)은 생성물 흐름 컨트롤러를 수반하는데, 생성물 흐름 컨트롤러는 고객으로의 유속을 감지하고, 측정된 유속에 기초하여 새로운 온도 설정점을 결정한다.
한 실시양태에서, FIC는 고객 요구의 급증, 즉 고객이 요구하는 유속이 상대적으로 짧은 시간 동안 정격 정상 흐름 용량을 초과하는 경우에만 사용한다. 이 경우, 흐름 계량기는 일정 시간에 걸쳐 고객 유속을 측정하고, FIC는 정격 정상 흐름 용량에 대한, 일정 시간 동안 측정된 평균 유속의 편차의 크기로부터 계산된 특정 양만큼 PIC의 압력 설정점을 증가시킨다. 예를 들어, PIC의 설정점의 증가는 정격 정상 흐름 용량에 대한 측정된 유속의 편차에 비례할 수 있다. 이러한 방식으로 FIC를 사용하는 것은, 화력 출력을 증가시키고, 따라서 일시적인 급증 요구 동안 용기 압력을 유지하는 것을 돕는데, 이는 공급 시스템 정지를 감소시킬 수 있다. 이 실시양태에서, TIC, PIC 및 FIC는 표준 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러를 사용할 수 있다. 속도 컨트롤러("RIC")는 캐스케이드 제어의 3개 레벨 모두가 활성화되는 경우 사용하고, RIC는 PIC와 FIC의 설정점을 조작한다.
또 다른 방법은 흐름을 유지하면서 화력을 최소화하는 것을 돕는 데 이용할 수 있다. 고객 요구가 변함에 따라, 흐름 컨트롤러는 컨테이너 압력 컨트롤러 출력 신호와 연속적으로 비교되는 흐름 컨트롤러의 출력 신호를 조정한다. 이어서 2개의 신호를 비교한 다음, 2개의 신호 중 더 낮은 값은 고객 요구 변동을 보상하는 데 필요한 열량을 지시한다. 이는 온도 컨트롤러 설정점을 조정함으로써 수행한다.
표준 PID 컨트롤러를 사용하여 3개의 제어 레벨을 달성하는 것 외에, 하나 이상의 다른 제어 알고리즘/메커니즘을 본 발명에 적용할 수 있다.
도 1을 참조하면, 3개의 제어 레벨(온도, 압력 및 가스 전달 유속)을 적용하여, 액화 가스를 함유하는 ISO 컨테이너상에 적용된 히터(HTR-1 및 HTR-2)의 전력을 조정하는 것에 의한 캐스케이딩 순차 제어를 도시한다. 이 경우, 1차 컨트롤러는 압력 컨트롤러("PIC") 또는 유속 컨트롤러("FIC")이고, 2차 컨트롤러는 온도 컨트롤러("TIC")이다. 오퍼레이터는 개별 출력을 계산하는, PIC와 FIC 둘 다의 설정점을 설정할 수 있다. PIC와 FIC로부터의 출력을 비교하고, 더 작은 출력을 이용하여 TIC의 설정점을 설정한다.
도 1을 참조하면, 복수의 가열 존 중 하나(이 경우 "존 1")에는 2개의 히터가 있는데, 각 히터는 가열 구역의 온도 T1 및 T2를 측정한다. 동일한 존 내 2개의 히터는 하나의 PID 컨트롤러("TIC 1")를 공유한다. T1과 T2 중 더 큰 것이 공정 변수로서 TIC 1에 공급된다. T1과 T2 중 더 큰 것을 TIC 1에 대한 공정 변수로서 사용하면 화력이 동일한 존의 2개의 히터로부터 균등하게 소산하지 않는 경우 동일한 존의 가열 구역에서 더 높은 온도를 갖는 히터가 과열되지 않아 히터 연소를 방지하는 것을 보장한다.
벌크 컨테이너의 설비 전력의 대부분은 실제로는 컨테이너를 온라인에 이르게 하기 직전의 초기 컨테이너 가압 및 가온(warm-up) 동안에만 필요하다. 컨테이너가 온라인으로 되면, 설비 전력의 일부만이 사용자의 지속가능한 유속 요건을 유지하는 데 필요할 것이다. 추가 전력은 주위 온도의 변동 때문에 그리고 피크 유속 동안 가끔 필요할 것이다. 추가 전력이 필요한 상황 동안 시스템 컨트롤러는 컨테이너 압력의 감소를 감지할 것이고, 설정점을 달성하기 충분할 정도로 온도 설정점을 점차로 증가시킬 것이다. 조건이 안정화되면, 시스템 컨트롤러는 히터 온도 설정점을 자동으로 재조정 및 감소시킬 것이다. 이러한 사이클은 컨테이너가 백업 공급으로의 자동 전환이 발생하는 낮은 레벨 및 낮은 중량 설정점에 기초하여 고갈될 때까지 계속될 것이다.
액화 가스의 새로운 용기가 고객 현장에 도달하는 경우, 용기 압력은 주위 온도에서 가스의 평형 압력인데, 가스의 평형 압력은 일반적으로 증기를 사용 현장에 전달하는 데 필요한 압력보다 낮다. 바람직하게는 초기 스타트 업 공정이 존재하여 이 동안에 용기가 가열을 통해 압력을 구축한다. 초기 스타트 업은 2개 레벨의 캐스케이드 순차 제어, 즉 온도 및 압력을 이용하여 달성할 수 있다. 온도 컨트롤러 설정점은 온라인 동작의 설정점에 대하여 상술한 바와 같이 오퍼레이터 입력을 필요로 하지 않는다. 압력 컨트롤러 설정점은 온라인 동작에서 이용하는 것과 동일한 값으로 설정하여, 용기가 가온되어 스타트 업의 말미에 동작 압력에 도달한다.
스타트 업 동안, 첫 번째로 목표 탱크 압력은 사용 현장의 고객 압력 요건 및 컨테이너와 사용 현장 간의 압력 강하의 합보다 높은 수에 따라 설정한다. 예를 들어 고객의 기기가 80psig의 NH3 공급을 필요로 하고, 컨테이너로부터 사용 현장까지의 요구되는 유속에서 NH3의 압력 강하가 20psig인 경우, 스타트 업 동안 목표 탱크 압력은 100psig보다 높게 설정할 수 있다. 이 예에서, 최소 값(이 예에서는 100psig)보다 높은 목표 탱크 압력은 더 높은 전력을 소모하는 대신 신뢰성을 개선한다. 목표 탱크 압력이 설정되면, 시스템 스타트 업은 2개 레벨의 캐스케이드 순차 제어, 즉 온도 및 압력을 이용하여 수동 또는 자동으로 제어할 수 있다.
수동 스타트 업을 이용하는 경우, 화력은 설비 전력의 고정된 백분율까지 수동으로 설정할 수 있거나 스타트 업 기간에 걸쳐 수동으로 조정할 수 있다. 컨테이너는 압력이 목표 탱크 압력에 도달할 때까지 가열된다. 자동 스타트 업을 위하여 2개 레벨의 캐스케이드 순차 제어를 이용하는 경우, 오퍼레이터는 압력 설정점을 목표 탱크 압력으로 설정할 수 있고, 시스템은 화력을 자동으로 조정할 것이고, 탱크 압력을 목표 탱크 압력으로 상승시킬 것이다. 본 발명에 따른 스타트 업/가온의 경우 2개 레벨의 캐스케이드 순차 제어를 이용한다.
본 발명은 자동으로 스타트하여 최대 속도까지 램프 업할 수 있는데, 이는 2-레벨 또는 3-레벨 캐스케이딩 순차 제어를 이용하여 고객 요구(예를 들어 스타팅 업 또는 램핑 업)의 동적인 변화 동안 요구되는 최소 전력을 결정하는 능력을 통해 가능하게 된다. 최소 오퍼레이터 개입으로 인해 플랜트 속도 컨트롤러를 배치해 시스템 온도, 압력 및 흐름을 조작하여 시스템의 초기 상태로부터 고객 최대 유속의 100%까지 흐름을 증가시킨다. 종래기술은 고객 요구에 정확하게 응답하는 동일한 능력이 없으므로 더욱 많은 오퍼레이터 개입이 필요할 수도 있고, 이는 화력을 지나치게 조정하거나 적게 조정할 가능성을 증가시킨다.
또한, 본 발명은 히터가 최소 오퍼레이터 개입으로 램프-업 공정 또는 온라인 동작 동안 요구되는 최소 전력으로 작동하게 한다. 본 발명에서 이용한 2-레벨 및 3-레벨 캐스케이딩 순차 제어는 고객 요구에 더욱 민감하게 응답하고, 전력 출력은 요구되는 유속으로 생성물을 기화하는 데 필요한 에너지에 더욱 근접하게 일치한다. 이는 과열을 방지하고, 히터 수명 및 신뢰성을 개선하는 것을 돕는데, 히터 수명은 일반적으로 히터가 더 높은 전력으로 작동하는 경우 감소하기 때문이다. 탱크를 과열시키지 않는 것으로부터의 또 다른 장점은 증기 스트림 내 수분 불순물을 증가시킬 수 있는 탱크상의 열점 및 핵비등을 방지하는 것이다.
본 발명에 유용한 열원은 가스 컨테이너를 위한 임의의 통상적인 열원일 수 있다. 예시적인 열원은 예를 들어 용기에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하는 복수의 가열 요소; 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하는 세라믹 히터; 용기에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하는 가열 재킷; 또는 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하거나 액화 가스로부터 에너지를 제거하는 열 교환기를 포함한다. 용기상의 복수의 가열 요소의 경우 복수의 가열 요소는 복수의 가열 존으로 분할할 수 있고, 각각의 가열 존은 적어도 하나의 가열 요소를 갖는다. 또한, 프로그램가능한 로직 컨트롤러가 가열 요소의 활성화에 시차를 둘 수 있다.
온도 및/또는 압력만을 피드백 파라미터로서 이용하는 종래기술과는 대조적으로, 본 발명의 제어 전략은 온도, 용기 압력, 및/또는 가스 출력 유속 측정으로부터의 피드백을 이용하여 고객 기기 요구에 대한 임의의 변동에 더욱 민감하게 반응할 수 있다. 미국특허번호 6,614,009, 6,363,728 및 6,581,412의 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 또한 부분적으로 액화 상태의 가스를 제어 방식으로 사용 현장에 전달하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은
(ⅰ) 다량의 액화 가스를 수용하는 용기를 제공하는 단계;
(ⅱ) 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하거나 액화 가스로부터 에너지를 제거하는 적어도 하나의 열원을 제공하는 단계;
(ⅲ) 열원을 조절하고, 가스 출력을 유지 및 조절하기 위하여 공정 변수 피드백 - 공정 변수 피드백은 적어도 2개의 공정 변수의 캐스케이딩 순차 제어로부터 발생함 - 을 이용하도록 구성한 열원 컨트롤러를 제공하는 단계;
(ⅳ) 열원 컨트롤러가 공정 변수 피드백을 이용하여 열원을 조절함으로써 용기로부터의 가스의 흐름을 제어하는 단계; 및
(ⅴ) 가스를 사용 현장에 전달하는 단계
를 포함한다.
본 발명에 유용한 용기는 초고순도 가스를 저장하고 전달하기 적합한 임의의 벌크 컨테이너, 예컨대 ISO 컨테이너, 튜브 트레일러 또는 탱커일 수 있다. 다른 적합한 벌크 컨테이너는 톤 컨테이너 및 드럼을 포함한다. 본 발명에서 사용하는 "벌크 컨테이너(들)"는, 다량의 액화 가스를 수용하는 컨테이너를 의미하고, 적어도 약 450리터의 용수량을 갖는 컨테이너이다. 용기는 타입 316 스테인리스강, 하스텔로이, 니켈 또는 초고순도 가스와 반응하지 않고 진공 및 고압 둘 다를 견딜 수 있는 코팅된 금속과 같은 재료로부터 구성할 수 있다. 용기는 용기에 연결된 제1 단부 및 액화 가스를 실질적으로 가스 형태로 사용 현장에 전달하도록 배치된 제2 단부를 구비한 도관을 또한 포함할 수 있다. 초고순도 가스는 사용 현장으로 전달하기 전에 여과 장치를 통과할 수 있다.
액화 가스는 바람직하게는 초고순도 가스이다. 그러나 액화 가스는 초고순도 가스 외에 다른 것일 수 있다. 예를 들어 암모니아인 경우 최종 사용자는 BSGS 암모니아 시스템의 하류에 사용 현장 정제기를 구비할 수도 있기 때문에 더 낮은 등급을 사용하는 것이 바람직할 수도 있다. 예시적인 액화 가스는 예를 들어 암모니아, 염화수소, 브롬화수소, 염소, 과불화프로판 등을 포함한다.
본 발명은 많은 장점을 제공한다. 본 발명은 신뢰성 있는 UHP 가스 공급 및 전용 현장 재고를 유지하기 위한 방법 및 시스템을 기술한다. 구체적으로, 본 발명은 하나 이상의 ISO 컨테이너를 채택하여 기화된 UHP 가스를 사용 현장, 예를 들어 반도체 제조 시설에 신뢰성 있게 공급할 수 있다.
정상 동작 동안, 화력은 3개의 피드백 레벨을 이용하는 캐스케이딩 순차 제어를 통해 조정한다. 제어의 제1 레벨은 온도에 기초하고, 제2 레벨은 용기 압력에 기초하고, 제3 레벨은 가스 전달 유속에 기초한다.
본 발명은 고객에게 UHP 가스의 신뢰성 있는 공급을 보장하기 위한 방법을 포함한다. 한 실시양태에서, 공급 방법은 직접 수송하는 것과 하나 이상의 벌크 액체 가스 ISO 컨테이너를 고객의 현장에 유지하는 것을 포함한다.
본 발명에 따르면, 고객을 위한 전용 UHP 가스 재고를 발생시키고, ISO 컨테이너 내 UHP 액체를 고객에게 직접 공급하고, 생산 현장에서 저장 볼륨을 유지하는 것을 포함하는, 대량 사용자에게 UHP 가스를 공급하는 방법을 제공한다. 본 발명은 가스 트랜스필 및 튜브 트레일러에 대한 필요성을 없앤다. 본 발명의 방법은 고객의 관점에서 근본적으로 더욱 신뢰성 있다.
본 발명에 따른 하나 이상의 ISO 컨테이너의 사용은 여러 가지 이유로 이롭다. 예를 들어 ISO 컨테이너로 인해 UHP 가스를 넓은 범위의 흐름으로 공급하고, 추가적인 재고를 고객 현장에서 유지하고, UHP 가스를 사용 현장에 직접 공급할 수 있다.
벌크 액체 ISO 컨테이너는 대량의 UHP 액체 또는 초임계 가스, 예를 들어 1800∼11000 갤론의 UHP 액체 가스를 수용할 수 있다. 더 많은 양(5배 초과만큼 많은 분자)을 동일한 볼륨의 UHP 가스 구성원으로서 전달할 수 있으므로 UHP 가스를 액체 또는 초임계 형태로 공급하는 것이 유리하다. 더 많은 볼륨의 UHP 가스 공급원은 교체 빈도, 연관된 노동 및 오염의 위험을 상당히 줄인다. 또한, 본 발명에서 기술하는 공급 방법을 구현하는 것은 UHP 가스 이용률의 융통성을 제공하고, 고객은 장기간 동안 재고를 효과적으로 관리할 수 있다.
UHP 가스는 다양한 사용 현장, 예를 들어 반도체 제조 현장 및 다른 산업 응용 현장에 전달할 수 있다. 사용 현장이 반도체 제조 현장인 경우, 초고순도 가스는 예를 들어 유기금속 전구체를 화학 기상 또는 원자층 증착 챔버에 도입하기 위한 운반 가스로서 사용할 수 있다. 초고순도 가스는 LCD 공정에서 건식 에칭을 위하여 또한 사용할 수도 있다. 초고순도 가스는 규소층을 에칭하는 공정의 속도와 균일성을 제어하는 후면 냉각에 또한 사용할 수도 있다. 초고순도 가스는 누출 및 라인 퍼지에 대한 검사에 또한 사용할 수도 있다.
모니터링 시스템은 UHP 가스 저장 탱크 및 공정 변수 피드백, 즉 온도, 압력, 및 가스 출구 유속을 모니터하는 데 사용할 수 있다. 이는 모니터링 유닛, 예를 들어 공정 변수 피드백을 수집하는 텔레메트리(telemetry)로 이루어질 수 있다. 임의의 공정 변수 피드백의 업셋 상황이 공급 시스템 또는 ISO 컨테이너에서 발생하는 경우, 열원은 용기 압력 또는 온도를 재확립하기 위하여 조정할 수도 있어, 생성물 인출 속도의 임의의 변화는 바로 포착되고, 따라서 고객 요구의 변동에 대한 빠른 응답을 가능하게 한다.
본 발명의 가스 기화 및 공급 시스템은 (ⅰ) 열원 컨트롤러에 피드백을 제공하는 하나 이상의 온도 측정 요소, (ⅱ) 열원 컨트롤러에 피드백을 제공하는 하나 이상의 압력 측정 요소, 및 (ⅲ) 열원 컨트롤러에 피드백을 제공하는 하나 이상의 가스 출력 유속 측정 요소를 사용할 수 있다. 하나 이상의 온도 측정 요소는 열전대(들)를 포함할 수 있고, 하나 이상의 압력 측정 요소는 압력 센서(들)를 포함할 수 있고, 하나 이상의 가스 출력 유속 측정 요소는 유속 게이지(들) 또는 계량기(들)를 포함할 수 있다.
제어 시스템 및 방법론은 동작 파라미터, 즉 공정 변수 피드백의 자동 실시간 최적화 및/또는 조정을 가능하게 하여 바람직하거나 최적의 동작 조건을 달성하도록 구성하는 UHP 가스 전달 시스템의 동작에 임의로 이용할 수 있다. 적합한 제어 수단은 본 기술분야에 알려져 있고, 예를 들어 프로그램가능 로직 컨트롤러(PLC) 또는 마이크로프로세서를 포함한다.
컴퓨터 구현 시스템은 임의로 공급 속도, ISO 컨테이너의 가열 및 냉각, 배압 및 안전 밸브에 대한 설정 등을 제어하는 데 사용할 수 있다. 컴퓨터 제어 시스템은 UHP 가스의 고객 현장 전달을 최적화하려는 시도로 상이한 파라미터를 조정할 수 있다. 시스템은 파라미터를 자동으로 조정하도록 구현할 수 있다. UHP 가스 전달 시스템의 제어는 통상적인 하드웨어 또는 소프트웨어-구현 컴퓨터 및/또는 전자 제어 시스템을 다양한 전자 센서와 함께 사용하여 달성할 수 있다. 제어 시스템은 공급 속도, ISO 컨테이너의 가열 및 냉각, 배압 및 안전 밸브에 대한 설정 등을 제어하도록 구성할 수 있다.
UHP 가스 전달 시스템은 수많은 파라미터, 예컨대 공급 속도, ISO 컨테이너의 가열 및 냉각, 배압 및 안전 밸브 등을 측정하기 위한 센서를 더 포함할 수 있다. 제어 유닛은 센서 및 측정된 파라미터 값에 따라 UHP 가스를 시스템의 곳곳에 전달하기 위한 유입구들과 유출구들 중 적어도 하나에 연결할 수 있다.
컴퓨터 구현 시스템은 임의로 UHP 가스 전달 시스템의 일부이거나 UHP 가스 전달 시스템과 연결할 수 있다. 시스템은 시스템의 동작 파라미터를 제어 및 조정할 뿐만 아니라 값을 분석 및 계산하도록 구성하거나 프로그램할 수 있다. 컴퓨터 구현 시스템은 제어 신호를 송신 및 수신하여 시스템의 동작 파라미터를 설정 및 제어할 수 있다. 컴퓨터 구현 시스템은 UHP 가스 전달 시스템에 대하여 원격에 위치할 수 있다. 컴퓨터 구현 시스템은 간접 또는 직접 수단을 통해, 예컨대 이더넷 연결 또는 무선 연결을 통해 하나 이상의 원격 UHP 가스 전달 시스템으로부터 데이터를 수신하도록 또한 구성할 수 있다. 제어 시스템은 원격으로, 예컨대 인터넷을 통해 작동할 수 있다.
UHP 가스 전달 시스템의 제어 중 일부 또는 전부는 컴퓨터 없이 이루어질 수 있다. 다른 타입의 제어는 물리적인 제어로 이루어질 수도 있다. 예를 들어 제어 시스템은 사용자가 작동시키는 수동 시스템일 수 있다. 또 다른 예에서 사용자는 상술한 제어 시스템에 입력을 제공할 수도 있다. 적합한 압력 게이지는 공급 속도(예를 들어 UHP 가스 전달 속도)를 모니터하는 데 사용할 수도 있다. 기압 게이지는 공급 속도가 사전설정된 값을 초과하는 경우 UHP 가스를 고객에게 공급하는 것을 차단하도록 사전설정할 수도 있는 적합한 차단 밸브를 구비할 수 있다.
열원 컨트롤러는 본 발명의 가스 기화 및 공급 시스템을 작동시키는 데 사용한다. 상술한 바와 같이, 본 발명의 제어 전략은 고객 기기 요구에 대한 임의의 변동에 더욱 민감하게 반응할 수 있다. 본 발명에 따르면, 화력은 온도, 용기 압력, 및/또는 가스 출력 유속 측정으로부터의 피드백을 이용하여 조절한다. 가스 출력 생성물 유속의 임의의 변화는 물질 균형 때문에 용기 압력에 즉시 영향을 미칠 것이고, 이어서 기상/액상 평형 및 열 전달을 통해 액화 가스의 온도에 간접적으로 영향을 미칠 것인데, 이는 특히 ISO 컨테이너와 같은 큰 용기의 경우 더 느린 공정이다. 그러므로 본 발명에 따라 압력 및/또는 유속 제어와 온도 제어를 캐스케이딩함으로써 생성물 인출 속도의 임의의 변화를 즉시 포착하고, 고객 요구의 변동에 대한 빠른 응답을 가능하게 한다. 빠른 시스템 응답은 고객 공정의 중단되지 않는 동작을 보장한다.
열원 컨트롤러는 실험 데이터 및 하나 이상의 알고리즘 중 적어도 하나를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 알고리즘은, 공정 변수 및/또는 공정 변수를 조정하기 위한 시각을 조정하고, 이어서 알고리즘에 기초하여 열원을 작동시키는 것을 결정할 수 있다. 알고리즘은 공급되는 공정 변수가 변하는 속도 및/또는 그 속도가 시스템의 전체 동작에 기초하여 변화되는 시각을 결정한다. 선택된 알고리즘은 시스템의 원하는 동작, 특히 고객 요구의 변동에 대한 신뢰성 있고 빠른 응답을 제공하는 기반이다. 열원 컨트롤러는 실험 데이터 또는 하나 이상의 알고리즘 중 하나를 이용하여, 측정된 압력, 온도 및 가스 출력 유속 피드백에 기초하여 용기 내 액화 가스에 전달하는 에너지를 결정할 수 있다.
본 발명에 유용한 PID 제어 방식은 3개의 수정 항에 따라 명명되고, 이의 합은 조작 변수(MV)를 구성한다. 따라서,
Figure pat00001
여기서 Pout, Iout, 및 Dout는 PID 컨트롤러의 출력에 대한 기여이고, 3개의 항 각각은 후술한다.
비례 항(흔히 이득으로 부름)은 현재 에러 값에 비례하는, 출력에 대한 변화를 초래한다. 비례 응답은 비례 이득으로 부르는 상수 Kp로 에러를 곱함으로써 조정할 수 있다. 비례 항은 아래와 같이 주어진다.
Figure pat00002
여기서 Pout: 출력의 비례 항; Kp: 비례 이득, 조정 파라미터; e: 에러 = SP-PV; 및 t: 시각 또는 순간 시각(현재).
적분 항은 아래와 같이 주어진다.
Figure pat00003
여기서 Iout: 출력의 적분 항; Ki: 적분 이득, 조정 파라미터; e: 에러 = SP-PV; t: 시각 또는 순간 시각(현재); 및 τ: 더미 적분 변수.
미분 항은 아래와 같이 주어진다.
Figure pat00004
여기서 Dout: 출력의 미분 항; Kd: 미분 이득, 조정 파라미터; e: 에러 = SP-PV; 및 t: 시각 또는 순간 시각(현재).
반-실험 압력-온도 알고리즘이 본 발명에 유용할 수 있다. 화력(PO)은 메인 동작 파라미터인 히터의 온도 설정점(Ts)의 함수이다.
Figure pat00005
그러므로 제어의 제1 레벨은 온도 설정점을 조절하여 원하는 화력을 달성하는 것이다. 수학식 (1)은 선형 또는 다항 함수일 수 있다.
제어의 제2 레벨은 용기 압력으로부터의 피드백을 포함하고, 따라서 Ts와 공급 압력 변화 속도 간의 관계를 확립할 필요가 있다. 증기 인출 속도에 변화가 존재하면, 공급 압력은 압력 변화의 속도(dp/dt) 및 히터 온도 설정점을 변경할 것이고, 이어서 이러한 변화(Ts *)는 공급 압력을 유지하는 데 요구되는 새로운 온도 설정점(Ts *+△Ts)을 지시할 것이다. △Ts는 컨테이너 내 액화 가스의 힐(heel) 레벨(h)에 좌우된다. 이러한 관계식은 다음과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00006
여기서 g1은 상술한 파라미터에 대한 △Ts의 의존성을 나타내는 함수이고, h는 힐 레벨이다. 수학식 (2)는 dp/dt, h 및 Ts *의 개별 선형 또는 다항 함수의 곱일 수 있다. 구체적인 예에서, 수학식 (2)는 dp/dt, h 및 Ts *의 개별 선형 함수의 곱이다. 이 경우, 수학식 (2)는 다음의 형태를 갖는다.
Figure pat00007
여기서 c1, c2, c3 및 c4는 시스템-특정 계수이다. 제어 시스템의 설계 시, 이와 같은 계수는 실험 데이터를 통해 얻을 수 있다. dp/dt는 특정 응용에 따라 사전설정된 시간(예를 들어 1분)에 걸쳐 취할 수 있고, 이와 같은 시간은 제어 시스템의 설계 동안 프로그램할 수 있다.
공급 전방 흐름-기반 제어가 본 발명에 유용하다. 제어의 제3 레벨은 증기 인출 유속으로부터의 피드백을 또한 포함한다. 에너지 균형에 따라, 원하는 화력은 임의의 증기 생성물 인출 속도 fv로 생성물을 기화하는 데 필요한 에너지의 균형을 맞추도록 동적으로 조정해야 한다. 즉,
Figure pat00008
여기서 △H는 액화 가스의 기화열이고, fv는 증기 생성물 유속이다. 상이한 생성물 인출 속도에 따라 히터 온도 설정점을 조정하기 위한 알고리즘은 수학식 (3)과 (1)을 조합함으로써 얻을 수 있다.
Figure pat00009
여기서 f(Ts)는 수학식 (1)에 도시한 동일한 함수이다. 이하의 예는 고객 흐름 변화의 한 시나리오에 대한 제어 시스템의 반응을 예시한다. 시스템은 히터 온도 설정점 Ts * 및 시스템 압력 설정점 ps에서 정상 증기 생성물 출력으로부터 시작하고(즉, 히터로부터 액체 생성물로의 인가된 에너지는 정상 유속으로 액체 생성물을 기화하는 데 필요한 에너지와 동일함), 시각 t=0에서 고객 증기 생성물 유속이 증가한다. t=0 후, 히터로부터 인가된 에너지는 새로운 유속으로 액체 생성물을 기화하는 데 필요한 에너지 미만이므로 용기 내 압력은 감소할 것이고, 이는 압력 지시자가 검출할 수 있다. 액체 레벨 지시자로 직접적으로 또는 저울로 간접적으로 측정할 수 있는 ht =0가 t=0인 시각의 힐 레벨인 경우, 새로운 증기 생성물 유속에 대응하는 히터 온도 설정점 △Ts의 조정은 수학식 (2)로 계산할 수 있다. 한편, 새로운 생성물 유속은 흐름 계량기로 또한 측정하고, 새로운 히터 온도 설정점은 수학식 (4)를 이용하여 계산한다. 이어서 수학식 (4)로부터 계산한 새로운 히터 온도 설정점은 수학식 (2)로부터 계산한 새로운 히터 온도 설정점, 즉 Ts *+△Ts와 비교하고, 더 작은 값을 히터에 적용할 것이다.
제어 시스템은 제어의 더 낮은 레벨(들)을 배제하는 자유도를 갖도록 구성할 수 있고, 사용자는 제어의 첫 번째 레벨(온도) 또는 첫 번째 2개의 레벨(온도 및 압력)만을 이용하도록 선택할 수 있다. 이와 같은 제어의 간소화된 버전은 시스템 조정 또는 유지 동안, 또는 고객의 요구 패턴이 제어의 제3 레벨을 추가하는 것을 정당화할 수 있는 큰 변화를 포함하지 않는 경우 바람직할 수도 있다. 제어의 제1 레벨만을 이용하는 경우, 사용자는 고객 가스 요구 및 가스 유속과 온도 설정점 간의 알려진 관계(예를 들어 수학식 (1))에 따라 히터 온도 및/또는 용기 표면 온도에 대한 온도 설정점을 수동으로 설정할 수 있다. 그러나 고객 가스 요구의 임의의 동적인 변화에 대하여, 온도 설정점을 수동으로 조정할 필요가 있다. 제어의 첫 번째 2개의 레벨만을 이용하는 경우, 사용자는 가스의 요구되는 공급 압력 및 용기의 하류에 가스를 전달하는 동안의 압력 손실에 따라 압력 설정점을 수동으로 설정할 수 있다.
용기 타입, 히터 타입 등을 고려하는 다른 형태의 알고리즘이 본 발명에 또한 유용할 수 있다. 제어의 3개 레벨(수학식 (1), (2) 및 (4))에 이용하는 상술한 알고리즘은 용기 타입 및 주위 온도와 같은 인자에 따라 상이한 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 상술한 수학식 (2)는 온도 설정점을 용기 압력 및 힐 레벨에 관련시키는데, 이는 일반적으로 모든 용기 타입에 적용가능하다. 그러나 특정 용기의 경우 온도 설정점 - 압력 관계에 대한 힐 레벨의 효과가 무시해도 될 정도이면 수학식 (2)는 변수 집합으로부터 힐 레벨을 제거함으로써 간소화할 수 있다. 주위 온도와 같은 다른 인자도 알고리즘의 형태에 영향을 미칠 수도 있다. 예를 들어, 상술한 수학식 (1)은 주위 온도를 변수 중 하나로서 포함하지 않지만, 시스템이 주위 온도에서 크게 변하는 경우(예를 들어 옥외 설치), 주위 온도를 변수 집합에 추가하는 것이 필요할 수도 있다.
수학식 (2)에서, 힐 레벨 변수는 용기하에서 저울로 측정할 수 있는 생성물 중량으로 쉽게 교체할 수 있다. 생성물 중량과 힐 레벨 간의 관계는 용기의 형상과 치수로부터 정의할 수 있다.
본 발명은 고객 공정의 정지 및 히터 교체 빈도, 예를 들어 히터 연소 빈도를 낮추는 개선된 시스템 신뢰성을 제공한다. 본 발명은 고객 요구의 동적인 변화 동안 요구되는 최소 전력을 제공한다. 이는 불충분한 증기 생성물 공급에 기인한 시스템 정지에 대한 가능성을 감소시킴으로써 고객에 대한 공정 비용을 줄인다.
본 발명의 다양한 수정과 변경은 본 기술분야의 숙련자에게 명백할 것이고, 이와 같은 수정과 변경은 본원의 범위 및 특허청구범위의 사상과 범위 내에 포함되는 것을 이해하게 된다.
실시예 1
도 1을 참조하면, 이 실시예는 고객 유속 변화에 응답하여 용기에 대한 화력을 동적으로 조정하는 2-레벨 캐스케이드 제어 시스템을 예시한다. 이 2-레벨 캐스케이드 제어 시스템에서는 단지 압력 지시 컨트롤러(PIC) 및 온도 지시 컨트롤러(TIC)를 사용한다. 주어진 시각=0초에서 용기는 가온되고, 용기 압력은 PIC 설정점, 예를 들어 120psig에서 안정화된다. 고객 사용 현장으로의 증기 흐름은 0이다(즉 BSGS는 유휴 상태이다). 고객이 증기 흐름 인출을 시작하는 순간(예를 들어 시각=0초) 용기 압력은 예를 들어 119psig로 즉시 감소한다. PIC는 그 순간 용기 압력과 PIC 설정점 간의 차인 -1psig에 기초하여 출력 신호를 계산한다. PIC로부터의 출력 신호는 TIC의 온도 설정점에서의 변화, 이 경우에는 예를 들어 +10℉에 대응한다(즉, TIC 설정점은 10℉만큼 증가하게 된다). 이어서 TIC는 새로운 온도 설정점을 충족하도록 화력을 높인다. 증가한 화력이 증가한 증기 흐름을 보상하기 시작하면, 용기 압력은 증가할 것이고, PIC 설정점에 도달할 것인데, 이 설정 점에서 캐스케이드 제어 시스템은 업데이트된 용기 압력에 기초하여 화력을 다시 조정할 것이다.
실시예 2
도 1을 참조하면, 이 실시예는 고객 유속 변화에 응답하여 용기에 대한 화력을 동적으로 조정하는 3-레벨 캐스케이드 제어 시스템을 예시한다. 이 3-레벨 캐스케이드 제어 시스템에서는 압력 지시 컨트롤러(PIC), 온도 지시 컨트롤러(TIC) 및 흐름 지시 컨트롤러(FIC)를 모두 사용한다. 주어진 시각=0초에서 용기는 가온되고, 용기 압력은 PIC 설정점, 예를 들어 120psig에서 안정화된다. 고객 사용 현장으로의 증기 흐름은 FIC 설정점, 예를 들어 100 표준 리터/분(slpm)에서 안정화된다. 고객이 예를 들어 110slpm의 증기 흐름 인출을 시작하는 순간(예를 들어 시각=0초) 용기 압력은 예를 들어 119psig로 즉시 감소한다. PIC는 그 순간 용기 압력과 PIC 설정점 간의 차인 -1psig에 기초하여 출력 신호를 계산한다. 또한, FIC는 고객 증기 유속과 FIC 설정점 간의 차인 +10slpm에 기초하여 출력 신호를 계산한다.
PIC로부터의 출력 신호는 TIC의 온도 설정점에서의 변화, 이 경우에는 예를 들어 +10℉에 대응한다(즉, TIC 설정점은 10℉만큼 증가하게 된다). FIC로부터의 출력 신호는 TIC의 온도 설정점에서의 변화, 이 경우에는 예를 들어 +12℉에 대응한다(즉, TIC 설정점은 12℉만큼 증가하게 된다). PIC와 FIC로부터의 출력 신호를 비교하고, 더 낮은 값의 신호(즉, +10℉)는 TIC를 지시하는 데 이용한다. 이어서 TIC는 새로운 온도 설정점을 충족하도록 화력을 높인다. 증가한 화력이 증가한 증기 흐름을 보상하기 시작하면, 용기 압력은 증가할 것이고, PIC 설정점에 도달할 것인데, 이 설정 점에서 캐스케이드 제어 시스템은 업데이트된 용기 압력 또는 고객 증기 유속에 기초하여 화력을 다시 조정할 것이다.

Claims (28)

  1. 가스 기화 및 공급 시스템으로서,
    (a) 다량의 액화 가스를 수용하기 적합한 용기;
    (b) 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하거나 액화 가스로부터 에너지를 제거하는 적어도 하나의 열원; 및
    (c) 상기 열원을 동적으로 조절하고, 가스 출력을 유지 및 조절하기 위하여 공정 변수 피드백 - 상기 공정 변수 피드백은 적어도 2개의 공정 변수의 캐스케이딩 순차 제어로부터 발생함 - 을 이용하도록 구성한 열원 컨트롤러
    를 포함하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 공정 변수는 압력 및 온도를 포함하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 공정 변수는 압력, 온도, 및 가스 출력 유속을 포함하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열원 컨트롤러는 실험 데이터 및 하나 이상의 알고리즘 중 적어도 하나를 이용하여, 측정된 압력, 온도 및 임의로 가스 출력 유속 피드백에 기초하여 용기 내 액화 가스에 전달하는 에너지를 결정하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    압력 지시 컨트롤러 및 가스 출력 유속 컨트롤러를 더 포함하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    열원 컨트롤러, 압력 지시 컨트롤러 및 가스 출력 유속 컨트롤러는 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러를 포함하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    (ⅰ) 상기 열원 컨트롤러에 피드백을 제공하는 하나 이상의 온도 측정 요소, (ⅱ) 상기 열원 컨트롤러에 피드백을 제공하는 하나 이상의 압력 측정 요소, 및 임의로 (ⅲ) 상기 열원 컨트롤러에 피드백을 제공하는 하나 이상의 가스 출력 유속 측정 요소를 사용하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    (ⅰ) 상기 하나 이상의 온도 측정 요소는 열전대(들)를 포함하고, (ⅱ) 상기 하나 이상의 압력 측정 요소는 압력 센서(들)를 포함하고, (ⅲ) 상기 하나 이상의 가스 출력 유속 측정 요소는 유속 게이지(들) 또는 계량기(들)를 포함하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 열원은 용기에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하는 복수의 가열 요소; 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하는 세라믹 히터; 용기에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하는 가열 재킷; 또는 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하거나 액화 가스로부터 에너지를 제거하는 열 교환기로부터 선택하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 열원 컨트롤러는 프로그램가능한 로직 컨트롤러 또는 마이크로프로세서인, 가스 기화 및 공급 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 가열 요소는 복수의 가열 존으로 분할되고, 각각의 가열 존은 적어도 하나의 가열 요소를 구비하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 프로그램가능한 로직 컨트롤러는 상기 가열 요소의 활성화에 시차를 두는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 용기는 ISO 컨테이너, 튜브 트레일러, 탱커, 톤 컨테이너, 드럼, 및 적어도 약 450리터의 용수량을 갖는 컨테이너로부터 선택한 벌크 컨테이너인, 가스 기화 및 공급 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 용기에 연결된 제1 단부 및 상기 액화 가스를 실질적으로 가스 형태로 사용 현장에 전달하도록 배치된 제2 단부를 구비한 도관을 더 포함하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 액화 가스는 초고순도 가스인, 가스 기화 및 공급 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 액화 가스는 암모니아, 염화수소, 브롬화수소, 염소 및 과불화프로판으로부터 선택하는, 가스 기화 및 공급 시스템.
  17. 액화 상태의 가스를 제어 방식으로 사용 현장에 전달하기 위한 방법으로서,
    (ⅰ) 다량의 액화 가스를 수용하는 용기를 제공하는 단계;
    (ⅱ) 용기 또는 용기 근처에 배치하여 에너지를 액화 가스에 공급하거나 액화 가스로부터 에너지를 제거하는 적어도 하나의 열원을 제공하는 단계;
    (ⅲ) 상기 열원을 동적으로 조절하고, 가스 출력을 유지 및 조절하기 위하여 공정 변수 피드백 - 상기 공정 변수 피드백은 적어도 2개의 공정 변수의 캐스케이딩 순차 제어로부터 발생함 - 을 이용하도록 구성한 열원 컨트롤러를 제공하는 단계;
    (ⅳ) 상기 열원 컨트롤러가 상기 공정 변수 피드백을 이용하여 상기 열원을 조절함으로써 상기 용기로부터의 상기 가스의 흐름을 제어하는 단계; 및
    (ⅴ) 상기 가스를 상기 사용 현장에 전달하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 공정 변수는 압력 및 온도를 포함하는 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 공정 변수는 압력, 온도 및 가스 출력 유속을 포함하는 방법.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 열원 컨트롤러는 프로그램가능한 로직 컨트롤러 또는 마이크로프로세서인 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    압력 지시 컨트롤러 및 가스 출력 유속 컨트롤러를 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    열원 컨트롤러, 압력 지시 컨트롤러 및 가스 출력 유속 컨트롤러는 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러를 포함하는 방법.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 실험 데이터 및 하나 이상의 알고리즘 중 적어도 하나에 기초하는 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 사용 현장은 반도체 제조 현장인 방법.
  25. 제17항에 있어서,
    상기 액화 가스는 초고순도 가스인 방법.
  26. 제17항에 있어서,
    상기 초고순도 가스를 상기 사용 현장으로 전달하기 전에 상기 초고순도 가스를 여과 장치에 통과시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  27. 제17항에 있어서,
    상기 용기는 ISO 컨테이너, 튜브 트레일러, 탱커, 톤 컨테이너, 드럼, 및 적어도 약 450리터의 용수량을 갖는 컨테이너로부터 선택한 벌크 컨테이너인 방법.
  28. 제17항에 있어서,
    상기 액화 가스는 암모니아, 염화수소, 브롬화수소, 염소 및 과불화프로판으로부터 선택하는 방법.
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