KR20200055676A - 즉시응답형 가열기 및 온도 제어 시스템 및 관련 공정 - Google Patents

즉시응답형 가열기 및 온도 제어 시스템 및 관련 공정 Download PDF

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Abstract

즉시응답형 가열기는 가열기 유체 입구와 가열기 유체 출구 사이에 서로 직렬로 배치되는 복수의 가열기 뱅크를 포함한다. 가열기 뱅크로부터의 감지된 유출 유체 온도가 해당 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가와 상이한 경우 하나 이상의 가열기 뱅크로의 전력이 조정되며, 그래서 제어된 방식으로 가열기 유체 출구에서 총 원하는 유체 온도 증가가 달성된다.

Description

즉시응답형 가열기 및 온도 제어 시스템 및 관련 공정{ON-DEMAND HEATER AND TEMPERATURE CONTROL SYSTEM AND RELATED PROCESS}
본 출원은 "On-Demand Heater and Temperature Control System and Related Process"에 대한 2018년 11월 13일 출원된 미국 특허 출원 제16/189,250호의 출원일의 이익을 주장한다.
본 발명은 즉시응답형 유체 가열기에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 제어된 방식으로 유체를 순간적으로 가열하기 위한 개선된 제어 시스템 및 공정을 갖는 즉시응답형 가열기에 관한 것이다.
탱크리스식, 관류형(flow-through) 또는 순간 물 가열기로도 지칭되는 즉시응답형 가열기가 잘 알려져 있다. 이러한 가열기는 이전에 가열된 물이 저장되는 탱크를 이용하지 않는다. 대신에, 유체에 대한 요구가 있을 때, 예를 들어 수도꼭지 등을 틀 때와 같이 가열된 유체에 대한 요구에 응답하여 유체가 가열기를 통해 유동하기 시작할 때, 물 또는 다른 유체가 가열된다.
이러한 유형의 가열기에 의한 중요한 문제점은, 가열기에서의 유체의 체류 시간이 짧기 때문에 즉시응답형 가열기가 원하는 사용자 온도 요건에 도달하기 위해서는 시스템 전력이 높아야 한다는 점이다. 고전력 시스템은, 잠열과 유동 및 압력 변화에 대한 느린 응답에 기인하는, 가변 유량 또는 비유동 상태에서의 온도 과열(overshoot)을 방지할 수 없어 문제가 된다.
즉시응답형 또는 관류형 가열기는 대형 저장소 또는 보유 탱크를 제거하기 때문에 고순도 처리에 있어서 종래의 물 가열기에 비해 우수하다. 박테리아 성장, 금속 침윤 부품 및 미립자 오염을 제거함으로써 물의 순도를 유지해야 하기 때문에, 탈이온수와 같은 고순도 유체를 가열할 때 이는 특히 중요하다. 대형 저장 탱크에는, 물의 유동이 정체되거나 둔화되고 박테리아가 성장할 수 있는 영역이 존재할 것이다.
종래의 즉시응답형 고순도 유체 또는 탈이온수 가열기는 가열 요소에 대한 전력 조정을 행하기 위해 출력 온도 센서에 의존한다. 그러나, 출력의 온도가 사양으로부터 벗어났을 때에는, 사용자의 공정 장비가 사양 온도를 벗어난 유체를 공급받을 것이기 때문에 너무 늦고, 이는 고순도 유체가 사용되는 제조 공정에 따라서는, 예를 들어 반도체 등의 제조에서 문제가 될 수 있다.
따라서, 필요에 따라 가열기의 유체 입구와 유체 출구 사이의 가열된 유체의 온도를 조정할 수 있어, 유체의 원하는 최종 온도가 일관되고 신뢰성 있게 달성되는 개선된 즉시응답형 물 가열기에 대한 계속적인 요구가 있다. 본 발명은 이들 요구를 실현하며, 기타 관련 장점을 제공한다.
본 발명은 유체가 가열기를 통과할 때 실시간으로 유체의 온도를 가열 및 조정하기 위한 개선된 제어 시스템 및 공정을 갖는 즉시응답형 가열기에 관한 것이다.
즉시응답형 가열기는 일반적으로 가열기 유체 입구 및 가열기 유체 출구를 포함한다. 복수의 가열기 뱅크가 서로 유체 연통되고, 가열기 유체 입구와 가열기 유체 출구 사이에 직렬로 배치된다. 온도 센서는 각각의 가열기 뱅크로부터의 유출 유체의 온도를 감지한다. 제어기는 온도 센서와 전자 통신한다. 제어기는 각각의 가열기 뱅크의 감지된 유출 유체 온도를 각각의 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가와 비교한 것에 기초하여 각각의 가열기 뱅크에 의한 유체의 가열의 레벨을 조정하기 위해 각각의 가열기 뱅크에 전달되는 전력을 독립적으로 조정하도록 구성된다. 따라서, 가열기 유체 입구로부터 가열기 유체 출구까지의 총 유체 온도 증가가 제어가능하게 달성된다.
가열기는 가열기 유체 출구에서 원하는 유체 온도를 수동으로 입력하기 위한 사용자 인터페이스를 포함한다. 제어기는 각각의 가열기 뱅크에 대한 전용 온도 제어기를 포함할 수 있다. 제어기는 결정된 가열기 유체 입구 유체 온도 및 원하는 최종 유체 온도에 기초하여 총 유체 온도 증가를 계산하도록 구성된다. 제어기는 총 유체 온도 증가 및 가열기 뱅크의 개수에 기초하여 부분 유체 온도 증가를 계산하고 각각의 가열기 뱅크에 할당하도록 구성된다. 가열기는 또한 제어기에 결합된 유체 유동 또는 압력 센서를 포함할 수 있다.
유체는 초순수 물을 포함할 수 있다. 가열기의 유체 접촉면은 하나 이상의 비오염 재료로 구성된다.
본 발명의 공정에 따르면, 가열기를 통한 총 유체 온도 증가가 결정된다. 가열기로 유입되는 유체의 온도가 결정된다. 총 유체 온도 증가는 가열기로 유입되는 유체의 온도를 가열기 유체 출구에서의 유체의 원하는 최종 온도와 비교함으로써 결정된다. 이는 가열기를 통한 유체 유량의 결정의 단계를 더 포함할 수 있다.
부분 유체 온도 증가가 각각의 가열기 뱅크에 할당된다. 이는 총 유체 온도 증가를 복수의 가열기 뱅크의 개수로 나눔으로써 행해질 수 있다.
각각의 가열기 뱅크에서의 유출 유체 온도가 감지된다. 감지된 유출 유체 온도가 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가와 상이한 가열기 뱅크로의 전력이 조정된다. 이는 감지된 유출 유체 온도가 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가보다 작을 때 해당 가열기 뱅크로의 전력을 증가시킴으로써 이루어질 수 있다. 이는 대안적으로 감지된 유출 유체 온도가 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가보다 더 클 때 가열기 뱅크로의 전력을 낮춤으로써 달성될 수 있다. 제어기는 하나 이상의 가열기 뱅크로의 전력을 독립적으로 조정한다. 이러한 방식으로, 총 유체 온도 증가가 가열기 유체 출구에서 달성된다. 감지된 유출 유체 온도가 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가와 상이한 해당 가열기 뱅크로의 전력을 조정하는 것에 추가하여 또는 그 대신에, 제어기는 감지된 유출 유체 온도가 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가와 상이한 해당 가열기 뱅크의 하류의 하나 이상의 가열기 뱅크로의 전력을 조정할 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 예시로서 본 발명의 원리를 도시하는 첨부 도면을 참조하여 취해지는 이하의 더 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
첨부도면은 본 발명을 예시한다. 이러한 도면에서:
도 1은 본 발명을 구현하는 가열기의 부분 절결 정면도이다.
도 2는 도 1의 가열기의 부분 절결 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 복수의 직렬로 연결된 가열기 뱅크를 도시하는 도 1의 선 3-3을 따라 취한 가열기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 가열기의 다양한 구성요소를 통해 유동하는 유체의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제어 시스템을 포함하는 가열기의 다양한 구성요소의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따라 사용되는 제어기 및 제어 시스템의 개략도이다.
첨부 도면에 도시되는 바와 같이, 본 발명은, 예시의 목적을 위해, 전체적으로 참조 부호 10으로 지칭되는 즉시응답형 유체 가열기에 속한다. 더 구체적으로, 본 명세서에서 더 완전히 설명되는 바와 같이, 본 발명은 가열기(10) 내의 복수의 가열 요소 각각에 대한 더 바람직한 전력 조정을 위한 개선된 제어 시스템을 갖는 즉시응답형 유체 가열기(10)에 관한 것이다.
더 구체적으로는, 본 발명은, 유체가 주변 온도와 같은 시작 온도에서 가열기로 유입하고 가열된 유체를 위한 개재 저장 탱크를 사용하지 않고 원하는 온도에서 가열기에서 유출될 것으로 예상되는 즉시응답형 유체 가열기(10)에 관한 것이다. 본 발명의 가열기(10)는 유체, 더 구체적으로는 가열기(10)를 통해 유동하는 유체를 순간적으로 가열하기 위해 직렬로 배관되는 다수의 전기 가열기 뱅크를 위한 개선된 제어 시스템을 통합하며, 이 가열은 실시간으로 각각의 가열기 뱅크에서 독립적으로 조정될 수 있다. 이와 같이, 특수한 요구-응답형 회로 및 제어기가 가열기(10)의 각각의 가열기 뱅크의 가열 요소에 전달되는 전력을 자동으로 제어한다.
이제 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명을 구현하는 가열기(10)가 도시된다. 가열기(10)의 다양한 구성요소는 인클로저(12) 내에 수용된다. 터치스크린 또는 키패드 등과 같은 사용자 인터페이스(14)가 사용자에 의한 용이한 접근을 위해 인클로저 하우징(12) 상에 장착된다. 사용자 인터페이스(14)는 본원에서 설정점 온도(SP)라고도 지칭될 수 있는 가열기(10)에서 유출되는 유체의 원하는 온도를 수동으로 입력할 수 있게 하며, 사용자에 의해 입력된 이 값은 가열기(10)의 제어기에 제공된다. 사용자 인터페이스(14)는 또한, 적절한 유체의 유량이 가열기(10)를 통해 유동하고 가열기가 정확하게 작동하는지를 확인하기 위해 사용자에 의해 사용될 수 있으며, 필요에 따라 임의의 에러를 제공한다.
누름버튼(16), 예를 들어 LED 등에 의해 조명될 수 있는 것이 또한 사용자에 의한 접근을 위해 하우징(12)의 외부에 제공될 수 있다. 이러한 버튼은 예를 들어 가열기(10)를 켜거나 또는 그 동작을 개시시키기 위해, 또는 예를 들어 녹색등 등의 사용에 의해 가열기(10)가 동작 모드에 있고 에러가 없다는 것을 신호하기 위해 사용될 수 있다. 다른 누름 버튼, 예를 들어 가열기(10)가 대기 모드에 있는 것을 나타내기 위한, 가열기(10)의 동작을 일시적으로 멈추기 위한, 또는 기타를 위한 적색 LED로 조명될 수 있는 누름버튼이 제공될 수 있다. 버튼(16)의 조명은 사용자의 편의를 위한 것이고 버튼 또는 스위치는 조명되지 않을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 가열기(10)는 또한 요구가 발생하는 경우에 가열기(10)의 전력 공급을 중단하고 비상 상황에서는 가열기(10)를 완전히 정전시키기 위해 사용될 수 있는 비상 오프(EMO) 스위치 또는 버튼(18)을 포함할 수 있다.
인클로저 하우징(12)은 전기 패널, 제어기, 가열기 뱅크(또는 모듈)(26) 및 모든 필요한 배관 구성요소를 수용한다. 전기 패널(도시되지 않음)은 팬 및 배기 배출구(20)에 의해 냉각이 유지된다. 도어 상호체결된 센서(22)가, 인클로저(12) 내의 구성요소에 대한 접근을 제공하는 인클로저 도어가 개방되어 있는 때를 검출하기 위해 가열기(10)에 통합될 수 있으며, 안전한 동작을 제공하기 위해 그 상태에 대한 정보를 가열기(10)의 제어기에 제공한다. 가열기 시스템(10)으로의 인입 전력은 인클로저 하우징(12)을 통해 연장되는 전기 도관 피팅(24)을 통해 도입될 수 있다.
특히 도 2를 참조하면, 가열기(10)는 유체 입구(28) 및 유체 출구(30)를 포함한다. 예시의 목적으로, 도 2는 가열기 뱅크(26)를 포함하지 않지만, 가열기 뱅크는 유체 입구(28)와 유체 출구(30) 사이에 배치된다는 것을 이해할 것이다. 가열기(10)는 가열기(10)를 통한 대체로 일정한 유체 유동 및 압력을 유지하기 위해 예를 들어 유체 입구(28)에 인접한 압력 조절기(32)를 포함할 수 있다. 압력 변환기(34), 게이지 가드(36) 및 열전쌍 조립체(38)가 또한 통상적으로 유체 입구(28) 근처에 포함될 수 있다. 이들 구성요소는 가열기(10)를 통한 유동 및 압력을 모니터링하고 조절하며 유입 유체 온도를 결정하는데 이용될 수 있다. 용량성 액체 레벨 센서(40) 및 유동 센서(42)가 또한 이러한 목적을 위해 그리고 이러한 정보를 가열기(10)의 제어기에 제공하기 위해 사용될 수 있다. 유동 센서(42)는 패들 휠 등의 형태일 수 있다.
이제 도 1 및 도 3을 참조하면, 상술한 바와 같이, 가열기 유체 입구(28)와 가열기 유체 출구(30) 사이에 복수의 가열기 뱅크(26)가 직렬로 배치된다. 도 3에 도시되는 바와 같이, 각각의 가열기 뱅크(26)는 하나 이상의 가열기 모듈(44)을 포함할 수 있다. 유체는, 입구(28)를 통해 유입하고, 유체가 가열기 출구(30)를 통해 유출될 때까지 관(46)을 통과하여 순차적인 직렬 방식으로 각각의 가열기 뱅크(26)와 각각의 가열기 모듈(44)로 간다. 따라서, 유체는 가열기 뱅크(26)의 복수의 모듈(44)을 통과함에 따라 단계적으로 가열된다. 이와 같이, 가열될 유체는, 입구(28)를 통해 유입하고, 제1 가열기 뱅크(26) 및 제1 가열기 뱅크(26)의 최초 또는 제1 가열기 모듈(44)을 통과하고, 그후 제1 가열기 뱅크(26)의 각각의 가열기 모듈을 순차적으로 통과하며, 그후 최종 또는 마지막 가열기 뱅크(26)의 최종 출력 가열기 모듈(44)로부터 출구(30)로 유출될 때까지 순차적으로 나머지 가열기 뱅크(26)를 통과한다. 3개의 가열기 모듈(44)을 각각 갖는 총 3개의 가열기 뱅크(26)가 도시되어 있지만, 가열기 뱅크 및 가열기 모듈의 개수는 필요에 따라 조정될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
탱크리스식, 관류형 순간 물 가열기로서 지칭될 수도 있는 즉시응답형 가열기(10)는 가열기 모듈(44) 또는 가열기 뱅크(26) 내에 하나 이상의 챔버를 채용하며, 이들은 체적 용량이 비교적 낮으며 일반적으로 내부 가열 요소의 크기보다 약간만 더 크게 크기설정된다. 각각의 챔버의 작은 물 보유 체적은 그를 통해 유동하는 유체를 원하는 온도로 거의 순간적으로 가열할 수 있는 가열 시스템을 만드는데 도움이 된다. 더욱이, 챔버 내의 침지된 가열 요소는 가열 요소로부터 유체로 전기 에너지를 급속하게 전달하도록 구성된다.
본 발명의 가열기 시스템(10)은 개선된 온도 제어를 갖는 즉시응답형 초순수 물(Ultra-Pure Water)(UPW) 시스템에 특히 적합하다. 초순수 물은 매우 높은 엄격한 사양으로 정제 또는 처리된 물이다. 초순수 물은 최고 레벨의 순도로 처리되며, 반도체 등의 제조에 광범위하게 사용된다. 반도체 제조 회사는 화학물질의 도포 후에 웨이퍼를 씻어내기 위해, 침지 포토리소그래피를 위한 광학 시스템에서는 화학물질 자체를 희석하기 위해, 또는 일부 중요한 용례에서는 냉각 유체에 대한 구성물로서 UPW를 사용한다. UPW 또는 탈이온수 또는 다른 고순도 유체가 웨이퍼와 직접 접촉하기 때문에, 모든 불순물은 손상을 제거하기 위해 제거되어야 한다.
즉시응답형 또는 관류형 가열기는 이들이 대형 저장소 또는 보유 탱크를 제거하기 때문에 고순도 공정 용례에서 종래의 물 가열기에 비해 우수하다. 이는 물의 순도가 박테리아 성장, 금속 침윤 부품 및 미립자 오염을 제거함으로써 유지되어야 하기 때문에 고순도 탈이온수를 가열할 때 특히 중요하다. 저장 탱크에는, 물 또는 다른 유체의 유동이 정체되거나 둔화되는 영역이 여전히 존재할 것이다.
본 발명의 가열기(10)는 각각이 동일하게 높은 유량을 보이도록 각각의 가열기 뱅크(26) 및 가열기 모듈(44)을 직렬로 배관함으로써 박테리아 성장 가능성을 제거한다. 또한, 유체가 각각의 챔버를 통해서 유동할 때 유체 난류를 증가시키는 방식으로 가열기 챔버가 설계되고, 그에 따라 정제된 유체가 유동을 멈추고 정체된 상태로 유지되는 배관 내의 임의의 "데드-레그(dead-leg)"를 제거한다.
본 발명은 오로지 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 및/또는 퍼플루오로알콕시(PFA)와 같은 플루오로플라스틱 재료로 제조된 입구 및 출구를 갖는 가열기 하우징을 생성함으로써 금속 침윤 부품을 제거할 수 있다. 가열기 하우징은 PFA으로 피복된 가열 요소를 수용할 수 있다. 가열기 센서는 또한 PFA 재료에 매립될 수 있다. 본 발명의 가열기는 오로지 PDVF 또는 PFA 침윤 표면을 갖는 방식으로 제조되는 다수의 가열기 모듈(44)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 금속 침윤된 표면이 존재하지 않으므로, 탈이온 또는 정제된 물 또는 다른 정제된 유체의 오염을 회피한다. 위에서 언급된 것과 같이, 가열기 모듈(44)은 그를 통해 유동할 때 더 큰 유체 난류에 기여하여 데드-레그를 제거하도록 설계된다. 따라서, 유체의 순도는 가열기(10)를 통해 유지된다.
이제 도 4를 참조하면, 개략도는 유체가 본 발명의 가열기(10)를 통해 유동할 때의 유체의 경로를 도시한다. 도 3과 유사하게, 가열기(10)는 3개의 가열기 모듈(44)을 각각 포함하는 HTR1-HTR9에 의해 식별되는 3개의 가열기 뱅크(26)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 가열기 뱅크(26) 및 가열기 모듈(44)의 실제 개수는 변경될 수 있다. 그러나, 가열기 뱅크 및/또는 모듈은 각각의 가열기 모듈(44) 또는 뱅크(26)가 물 정체를 위한 모든 영역이 제거되도록 그를 통해 유동하는 최대 유체 유량을 보이도록 직렬로 배관된다. 탈이온수 또는 다른 초순수 물과 같은 유체는, 유체 입구(28)를 통해 가열기 또는 시스템 내로 유입되고, 이후 유체 공급이 높은 압력에서 들어오더라도 안전한 내부 압력이 유지되도록 시스템 내로 유입되는 최대 허용 유체 압력의 상한을 정하는 압력 조절기(PR)(32)를 통해 유동한다. 다음으로, 유체는 유입 유체 온도 및 압력을 제어기에 제공하는 입구 열전쌍(T50)(38) 및 압력 변환기(PT)(34)를 통해 유동한다. 바람직하게는, 양 센서(34 및 38)는 초순수 물 유체로부터 분리된다. 입구 열전쌍(38)은 PFA 재료 내에 캡슐화될 수 있다. 압력 변환기(34)는 PFA 다이어프램을 갖는 게이지 가드를 포함할 수 있다. 유체는 그후 유체의 유량을 측정하고 그 정보를 제어기에 제공하는 유동 센서(FS)(42)를 통해 유동한다.
도 4에 예시된 예시적인 가열기에서, 즉시응답형 가열기는 3개의 가열기 뱅크를 갖고, 제1 가열기 뱅크는 가열기 모듈(HTR1-HTR3)을 포함하고, 제2 가열기 뱅크는 가열기 모듈(HTR4-HTR6)을 가지며, 제3 가열기 뱅크는 모듈(HTR7-HTR9)을 갖는다. 열전쌍(T51-T53) 형태의 온도 센서(51-53)가 각각의 가열기 뱅크(26)의 유체 출력 또는 각각의 가열기 뱅크의 최종 또는 출력 모듈에 인접한다. 열전쌍은 가열기 뱅크에서 유출된 유체 온도의 판독을 행한다. 따라서, 예를 들어, 온도 센서(T51)는 제1 가열기 뱅크에서 유출되는 유체 온도를 측정하고, 온도 센서(T52)는 제2 가열기 뱅크에서 유출되는 온도를 측정하며, 온도 센서(T53)는 제3 및 최종 가열기 뱅크에서 유출되는 온도를 측정한다. 이들 온도 센서 또는 열전쌍으로부터의 각각의 온도 판독값은 제어기에 전달된다. 유체는 가열기를 통한 유체의 적절한 유동이 존재하는 것을 보장하도록 하기 위해 가열기로부터 출력되기 전에 용량성 액체 레벨 센서(LS)와 같은 센서(48)를 통과할 수 있다.
각각의 가열기 모듈(HTR1-HTR9)(44)은 열 차단 장치(TF1-TF9) 및 그와 연관된 가열 요소 과온 센서(HL1-HL9)를 가질 수 있다. 열 차단 장치는 가열기 모듈 내의 유체가 미리결정된 불안전 온도에 도달하는 경우 회로를 개방할 것이다. 가열 요소 과온 센서는 가열 요소의 온도를 측정하고 측정값을 제어기에 제공한다.
이제 도 5를 참조하면, 도면은 유체 유동 경로 및 시스템 센서와 가열기 모듈 사이의 인터페이스 및 이들과 제어기(50)와의 인터페이스를 도시한다. 초순수 탈이온수와 같은 유체는, 즉시응답형 가열기(10)를 통해 유동하고 여기서 원하는 온도에 도달하며, 그후 즉시응답형 가열기 시스템에서 출력되어 가열기 유체 출구를 통과한 후 공정 장비로 유동한다. 유체는 시스템에 유입되고, 압력, 유량 및 유입 유체 온도 판독값이 압력 변환기(PT), 유동 센서(FS) 및 온도 센서(Tin)를 포함하는 각각의 센서에 의해 계속해서 취득된다. 이들 판독값으로부터의 정보는 제어기(50)에 송신된다. 유체는 그후 직렬의 각각의 가열기 모듈 및 가열기 뱅크를 통해 이동하며, 하나의 모듈로부터 유출되는 유체의 완전한 유동이 다음 후속 모듈 및 가열기 뱅크에 공급된다. 이러한 방식으로, 각각의 가열기 모듈 및 가열기 뱅크는 시스템의 전체 유량 및 더 높은 유량을 보일 것이며, 그뿐만 아니라 정체 유체를 야기할 수 있는 배관의 영역을 제거함으로써, 박테리아 성장 또는 입자 포착에 대한 가능성을 최소화할 것이다. 온도 센서(51-53)(T1-T3)가 이들 대응 영역에서의 유체의 온도를 측정하기 위해 각각의 가열기 뱅크의 유체 출력부에 배치된다. 이들 온도 판독값은 제어기(50)에 제공된다. 이러한 방식으로, 제어기(50)는 사용자의 원하는 온도 설정점(SP) 또는 가열기에서 유출되는 최종 유체 온도에 도달하기 위해서 가열기 뱅크가 행하고 있는 진행을 분석 및 평가할 수 있다. 제어기(50)는 필요한 경우 유체가 가열기를 통해 유동할 때 각각의 가열기 뱅크가 유체를 가열하기 위해 상이한 전력을 제공하도록 각각의 가열기 뱅크의 전력을 독립적으로 제어하기 위해 독립적인 출력 신호를 갖는다. 제어기(50)는 신호를 가열기 뱅크 솔리드 스테이트 릴레이(solid state relay)(SSR)에 송신하며, 그후 가열기 뱅크 솔리드 스테이트 릴레이는 각각의 가열기 뱅크의 전력 출력을 제어한다.
각각의 가열기 모듈(44)(HTR)은 열 퓨즈로도 알려진 열 차단 장치(TCO)를 포함하며, 이 열 차단 장치는 모듈 내의 유체가 미리결정된 불안전 상태에 도달하는 경우 제어기(50)에 신호를 송신할 것이다. 각각의 가열기 모듈은 또한 과온 가열 센서(HL)를 포함하고, 이는 가열 요소의 온도를 측정하고 그 정보를 제어기(50)에 송신하며, 제어기는 안전 릴레이(57)를 차단함으로써, 하나 이상의 가열 요소의 불안전한 온도가 검출되는 경우 전원(55)으로부터의 전력을 차단한다. 제어기(50)는 또한 높은 압력, 낮은 유체 유동 또는 낮은 유체 레벨이 검출되는 경우 안전 릴레이(57)를 차단할 것이다. 유입 전원(55)은 즉시응답형 가열기가 동작하기 위한 전압을 제공하며, 안전 릴레이(57)는 불안전 상태가 검출되는 경우 제어기(50)가 시스템으로의 전력을 안전하게 멈추도록 시스템으로의 유입 전력에 근접하여 배치되는 것이 바람직하다.
종래의 즉시응답형 물 가열기는 가열기에 대해 전력 조정을 행하기 위해서 출력 온도 센서에 의존한다. 그러나, 출력부에서의 온도가 사양으로부터 벗어났을 때에는, 사용자의 공정 장비에는 사양 온도를 벗어난 물이 공급될 것이기 때문에 너무 늦다. 그러나, 본 발명에서는, 초순수, 탈이온수 또는 다른 유체의 온도는 유체가 시스템을 통해 나아감에 따라 감지된다. 제어기(50)는 사용자 최종 온도 설정점, 유량 및 유입 유체 온도에 기초하여 각각의 가열기 뱅크(26) 이후의 각 점에서 어떤 온도에 도달하여야 하는지에 대한 계산을 수행한다. 본 발명은, 온도가 그것이 있어야 하는 온도에 있는지의 여부를 결정하기 위해 유체가 각각의 가열기 뱅크(26)로부터 유출됨에 따라 유체 온도 진행을 평가하며, 있어야 하는 온도에 있지 않은 경우 개별 가열기 뱅크에 대한 조정을 행한다. 예를 들어, 가열기 뱅크로부터의 감지된 유출 유체 온도가 해당 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가 미만일 때, 해당 가열기 뱅크로의 전력이 증가될 수 있다. 반대로, 가열기 뱅크로부터의 감지된 유출 유체 온도가 해당 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가를 초과할 때 가열기 뱅크로의 전력을 감소 또는 저하시킬 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상류 가열기 뱅크로부터의 감지된 유출 유체 온도가 해당 상류 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가 미만일 때 하나 이상의 하류 가열기 뱅크로의 전력이 증가될 수 있으며; 반대로 감지된 유출 유체 온도가 상류 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가를 초과할 때 하나 이상의 하류 가열기 뱅크로의 전력을 저하시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 가열기 시스템의 응답은 더 빠르고 더 정확해지며 일관된 유체 온도가 얻어진다.
이제 도 6을 참조하면, 제어 시스템 및 그 동작의 도면이 제공된다. 제어 시스템은 사용자가 설정점 온도(SP)로도 알려진 원하는 최종 수온을 입력할 수 있게 하는 터치스크린 또는 누름버튼 등과 같은 사용자 인터페이스(14)를 갖는다. 이는 사용자에 의해 수동으로 입력되고, 수치가 제어기(50)에 제공된다. 제어기(50)는 SP로부터 입력 온도 센서(Tin)(38)의 값을 감산함으로써 가열기가 제공해야 하는 요구 델타 온도(Required Delta Temperature)로도 지칭되는 총 유체 온도 증가를 결정한다. 이 값은 사용자의 요구를 충족시키기 위해 유체가 가열기를 통해 유동할 때 즉시응답형 가열기가 유체를 상승시킬 필요가 있는 도(degree)의 양이다.
제어기(50)는 또한 각각의 가열기 뱅크에 할당될 부분 유체 온도 증가 또는 델타 T를 결정하는 수단을 갖는다. 제어기(50)는 요구 델타 온도 또는 가열기를 통한 총 유체 온도 증가를 가열기 시스템 내의 가열기 뱅크의 개수로 나누는 제산기를 갖는다. 이는 본원에서 각각의 가열기 뱅크에 할당되는 부분 유체 온도 증가로도 지칭되는 하나의 가열기 뱅크당 델타 T를 초래한다. 이 값은 각각의 개별적이고 독립적인 뱅크 온도 제어부에 전송되며, 제어부는 그 각각의 가열기 뱅크로의 전력을 조절할 것이다. 예시적인 도시의 가열기는 3개의 가열기 뱅크를 포함하기 때문에, 3개의 뱅크 온도 제어부(54)가 도 6에 도시되어 있지만, 특히 바람직한 실시예에서는 각각의 가열기 뱅크는 그와 연관된 독립적인 뱅크 온도 제어부를 갖기 때문에 그 개수는 가열기 뱅크의 개수에 따라 달라질 것이다. 각각의 뱅크 온도 제어부(54)는 제공된 델타 T/뱅크 또는 부분 유체 온도 증가 목표를 온도 센서(51-53)에 의해 가열기 뱅크의 출력부에서의 유체의 온도 판독값과 비교한다. 각각의 뱅크 온도 제어부(54)는, 각각의 가열기 뱅크에서의 유체의 온도를 조절하고, 따라서 유동의 변화, 압력의 변화에 대해, 그리고 가열기 뱅크로부터의 감지된 유출 유체 온도가 해당 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가 또는 해당 가열기 뱅크에 할당된 델타 T와 상이할 때 더 빠르게 더 양호하게 응답할 수 있다. 종래 기술과 대조적으로, 뱅크 온도 제어부(54)는, 각각의 가열기 뱅크에서 즉석의 국부적 상태에 응답하며, 유체가 시스템 출력부에 올때까지 지연되지 않는다.
종래의 즉시응답형 물 가열기는 가열기에 대해 전력 조정을 행하기 위해서 출력 온도 센서에 의존한다. 출력부에서의 온도가 사양으로부터 벗어났을 때에는, 사용자의 공정 장치는 사양을 벗어난 온도의 유체를 받기 때문에 너무 늦다. 본 발명은, 사용자 설정점 또는 최종 유체 온도와 유입 유체의 온도 사이의 차이와 가열기를 통한 유체 유량에 의해 결정되는 바와 같은 가열기를 통한 총 유체 온도 증가에 기초하여 각각의 점에서 어떤 온도가 되어야 하는지에 대한 계산을 행하는 제어기에 의해 유체가 시스템을 통해 나아감에 따라 유체의 온도를 감지하는 수단을 제공한다. 본 발명은, 온도가 그것이 있어야 하는 온도에 있는지의 여부를 결정하기 위해 유체가 각각의 가열기 뱅크(26)로부터 유출될 때 유체 온도 진행을 평가하며, 있어야 하는 온도에 있지 않은 경우 개별 가열기 뱅크에 대한 조정을 행할 수 있다. 이러한 방식으로, 가열기 시스템의 응답은 더 빨라지고 더 정확해지며, 가열기에서 유출되는 일관된 유체 온도가 얻어진다.
각각의 가열기 뱅크(26)는 그것에 동작가능하게 결합된 독립적인 뱅크 온도 제어기(54)를 가지며, 이는 가열기 뱅크 유체 출력 온도 판독값을 해당 가열기 뱅크에 할당되는 예상된 델타 T/뱅크 온도 또는 부분 온도 증가와 비교한다. 온도가 예상 온도보다 낮으면, 뱅크 온도 제어부(54)는 가열기 뱅크 출력에 대한 그 신호를 조정하여, SSR에 가열기 뱅크를 제어하라고 신호할 것이다. 따라서, 각각의 가열기 뱅크에 제공되는 전력을 증가 또는 감소시키는 것에 의한 온도 조정은 거의 실시간으로 조정된다.
위에서 언급된 바와 같이, 액체 레벨 센서, 유량 센서, 압력 변환기, 가열기 열 차단 장치(TC01-TC09) 및 가열 요소(HL1-HL9) 상의 과온 센서를 포함하는 안전 센서는 그 판독값을 안전 제어부(56)에 보내며, 안전 제어부는 불안전 상태가 검출되는 경우 안전 릴레이(57)에 가열기 전력을 중단하라고 신호한다.
예시를 위해 여러 실시예가 상세히 설명되었지만, 발명의 범위 및 사상 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의한 것을 제외하고는 제한되지 않는다.

Claims (18)

  1. 유체의 즉시응답형 가열을 위한 공정이며,
    가열기 유체 입구와 가열기 유체 출구 사이에 직렬로 배치되는 복수의 가열기 뱅크를 갖는 가열기를 제공하는 단계;
    가열기를 통한 총 유체 온도 증가를 결정하는 단계;
    각각의 가열기 뱅크에 부분 유체 온도 증가를 할당하는 단계;
    각각의 가열기 뱅크에서 유출 유체 온도를 감지하는 단계; 및
    감지된 유출 유체 온도가 해당 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가와 상이한 가열기 뱅크로의 전력을 조정하는 단계를 포함하며,
    가열기 유체 출구에서 총 유체 온도 증가를 달성하는 공정.
  2. 제1항에 있어서, 가열기에 유입되는 유체의 온도를 결정하는 단계를 포함하는 공정.
  3. 제2항에 있어서, 총 유체 온도 증가를 결정하는 단계는 가열기에 유입되는 유체의 온도를 가열기 유체 출구에서의 유체의 원하는 최종 온도와 비교하는 단계를 포함하는 공정.
  4. 제3항에 있어서, 총 유체 온도 증가를 결정하는 단계는 가열기를 통한 유체 유량의 결정을 더 포함하는 공정.
  5. 제1항에 있어서, 감지된 유출 유체 온도가 상류 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가와 상이한 해당 상류 가열기 뱅크의 하류의 하나 이상의 가열기에 대해 전력을 조정하는 단계를 포함하는 공정.
  6. 제1항에 있어서, 전력을 조정하는 단계는 감지된 유출 유체 온도가 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가 미만인 경우 해당 가열기 뱅크로의 전력을 증가시키는 단계를 포함하는 공정.
  7. 제1항에 있어서, 전력을 조정하는 단계는 감지된 유출 유체 온도가 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가를 초과하는 경우 해당 가열기 뱅크로의 전력을 낮추는 단계를 포함하는 공정.
  8. 제1항에 있어서, 부분 유체 온도 증가를 할당하는 단계는 총 유체 온도 증가를 복수의 가열기 뱅크의 개수로 나누는 단계를 포함하는 공정.
  9. 제1항에 있어서, 가열기를 통한 유체 유동 또는 압력을 검출하는 단계를 포함하는 공정.
  10. 제1항에 있어서, 조정 단계는 제어기가 상기 하나 이상의 가열기 뱅크로의 전력을 독립적으로 조정하는 단계를 포함하는 공정.
  11. 제1항에 있어서, 초순수 물이 가열기를 통과하며, 유체 접촉면이 하나 이상의 비오염 재료로 구성되는 공정.
  12. 즉시응답형 가열기이며,
    가열기 유체 입구 및 가열기 유체 출구;
    서로 유체 연통하며 가열기 유체 입구와 가열기 유체 출구 사이에 직렬로 배치되는 복수의 가열기 뱅크;
    각각의 가열기 뱅크로부터의 유출 유체의 온도를 감지하는 온도 센서; 및
    온도 센서와 전자 통신하는 제어기로서, 제어기는 각각의 가열기 뱅크의 감지된 유출 유체 온도를 각각의 가열기 뱅크에 할당된 부분 유체 온도 증가와 비교한 것에 기초하여 각각의 가열기 뱅크에 의한 유체의 가열의 레벨을 조정하기 위해 각각의 가열기 뱅크에 전달되는 전력을 독립적으로 조정하도록 구성되는, 제어기를 포함하며,
    가열기 유체 입구로부터 가열기 유체 출구까지의 총 유체 온도 증가가 제어가능하게 달성되는 즉시응답형 가열기.
  13. 제12항에 있어서, 유체는 초순수 물을 포함하며, 가열기의 유체 접촉면이 하나 이상의 비오염 재료로 구성되는 즉시응답형 가열기.
  14. 제12항에 있어서, 제어기에 결합된 유체 유동 또는 압력 센서를 포함하는 즉시응답형 가열기.
  15. 제12항에 있어서, 제어기는 각각의 가열기 뱅크를 위한 전용 온도 제어기를 포함하는 즉시응답형 가열기.
  16. 제12항에 있어서, 가열기 유체 출구에서의 원하는 최종 유체 온도를 수동으로 입력하기 위한 사용자 인터페이스를 포함하는 즉시응답형 가열기.
  17. 제16항에 있어서, 제어기는 결정된 가열기 유체 입구 유체 온도 및 원하는 최종 유체 온도에 기초하여 총 유체 온도 증가를 계산하도록 구성되는 즉시응답형 가열기.
  18. 제17항에 있어서, 제어기는 총 유체 온도 증가 및 가열기 뱅크의 개수에 기초하여 부분 유체 온도 증가를 계산하여 각각의 가열기 뱅크에 할당하도록 구성되는 즉시응답형 가열기.
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