KR20210155671A

KR20210155671A - 냉각시스템

Info

Publication number: KR20210155671A
Application number: KR1020200073185A
Authority: KR
Inventors: 이선훈; 유병철; 신광훈; 최용석; 신병현; 김형탁; 박민우; 한제호; 국형호; 유종균
Original assignee: 주식회사 에프에스티
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2021-12-23

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템은, 냉매를 압축하는 압축기; 상기 압축기로부터 토출되는 냉매와 냉각수를 열 교환시키는 응축기; 상기 응축기로부터 토출되는 냉매가 유입되는 버퍼배관; 상기 버퍼배관으로부터 분기되는 바이패스유입관; 부하의 냉각을 위한 냉각제를 수용하는 저장탱크; 상기 부하를 통과한 냉각제와 상기 냉매를 열 교환시키는 증발기; 상기 증발기를 통과한 냉각제가 상기 저장탱크로 유입되도록 가이드하는 탱크유입관; 상기 저장탱크의 단열을 위해 구비되는 단열재; 및 상기 단열재와 열 교환이 이루어지도록 설치되며, 상기 바이패스유입관과 연결되는 방열플레이트를 포함하며, 상기 바이패스유입관의 냉매는 상기 방열플레이트를 통과하는 것을 특징으로 한다.

Description

냉각시스템 {Cooling System}

본 발명은 응축열원을 이용하여 냉각제가 저장되는 탱크의 결로 또는 결빙을 방지할 수 있는 반도체 공정용 냉각시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체를 제조하기 위한 반도체 공정용 설비는 항상 그 챔버 내부의 온도를 일정하게 유지시켜야 하며, 이러한 온도 유지의 역할을 위한 냉각시스템을 구비할 수 있다.

구체적으로, 반도체 공정에서 열적 부하를 받아 온도가 상승하는 반도체 공정용 설비는, 상기 챔버 내부에 냉각 유체를 순환시키는 방법으로 상기 열적 부하를 회수할 수 있다. 이를 위하여, 상기 냉각시스템은 상기 냉각 유체가 순환되도록 구성할 수 있다.

이와 관련된 선행기술문헌으로, KR10-2018-0056854 A 및 KR10-1705667 B1이 있다.

한편, 상기 냉각 유체는 반도체 공정의 특성상 극저온을 형성할 수 있어야 한다. 여기서, 극저온은 반도체 공정상 요구되는 온도가 -100도씨(°C) 이하인 온도로 이해할 수 있다. 최근 반도체 공정 분야에서는, 상기 극저온을 만족하는 최저 온도가 점차 낮아지고 있다.

상기 냉각시스템은 상술한 극저온의 냉각 유체가 수용되는 저장탱크를 포함할 수 있다. 그리고 상기 저장탱크에는 상기 극저온의 냉각 유체가 수용되기 때문에 저장탱크 내부의 온도는 약 -100 도씨(°C) 내외의 극저온으로 형성될 수 있다. 따라서, 온도 차에 의하여 상기 저장탱크와 연결된 배관이나 상기 저장탱크의 표면에 발생할 수 있는 결로 또는 결빙을 방지할 수 있도록, 저장탱크에는 단열재가 구비될 수 있다.

상기 단열재는 상기 냉각 유체의 온도가 낮아질수록 즉, 극저온을 향할수록 두께가 두꺼워진다. 이는 반도체 공정용 설비의 소형화가 요구되는 현 시점에 바람직하지 못한 문제가 있다.

KR10-2018-0056854 A ("압축기의 흡인온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기") KR10-1705667 B1 ("반도체 공정용 칠러 장치")

본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결할 수 있는 냉각시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 응축열원을 이용하여 저장탱크의 단열재 두께를 개선할 수 있는 냉각시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 부하의 냉각을 위한 냉각제 사이클에 구비되는 저장탱크의 주변 구성에 결로 또는 결빙을 방지하기 위하여, 상기 냉각제를 냉각시키기 위한 냉매사이클에 구비되는 응축기를 통과한 냉매를 이용할 수 있는 냉각시스템을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템은, 냉매를 압축하는 압축기; 상기 압축기로부터 토출되는 냉매와 냉각수를 열 교환시키는 응축기; 상기 응축기로부터 토출되는 냉매가 유입되는 버퍼배관; 상기 버퍼배관으로부터 분기되는 바이패스유입관; 부하의 냉각을 위한 냉각제를 수용하는 저장탱크; 상기 부하를 통과한 냉각제와 상기 냉매를 열 교환시키는 증발기; 상기 증발기를 통과한 냉각제가 상기 저장탱크로 유입되도록 가이드하는 탱크유입관; 상기 저장탱크의 단열을 위해 구비되는 단열재; 및 상기 단열재와 열 교환이 이루어지도록 설치되며, 상기 바이패스유입관과 연결되는 방열플레이트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 바이패스유입관의 냉매는, 상기 방열플레이트를 통과할 수 있다.

또한, 상기 방열플레이트를 통과한 냉매가 상기 버퍼배관으로 회수되도록 상기 방열플레이트에서 상기 버퍼배관으로 연장되는 바이패스토출관을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 버퍼배관은, 상기 바이패스유입관이 분지되는 버퍼분지점; 및

상기 바이패스토출관이 합지되는 버퍼합지점을 포함하며, 상기 버퍼분지점은 상기 응축기의 냉매출구에 가깝도록 위치할 수 있다.

또한, 상기 버퍼배관의 냉매를 도입시켜 상기 증발기를 통과한 냉매와 열 교환시키는 레큐퍼레이터를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 버퍼합지점은 상기 레큐퍼레이터의 냉매입구에 가깝도록 위치할 수 있다.

또한, 상기 방열플레이트는, 상기 저장탱크의 일 측에 설치된 단열재와 열교환되도록 결합하는 제 1 방열플레이트; 및 상기 저장탱크의 타 측에 설치된 단열재와 열교환되도록 결합하는 제 2 방열플레이트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 바이패스유입관은, 상기 제 1 방열플레이트와 상기 제 2 방열플레이트로 연결되도록 분기될 수 있다.

또한, 상기 냉각제를 순환시키기 위한 펌프; 상기 저장탱크에 수용된 냉각제를 상기 펌프로 가이드하는 탱크배출관; 상기 펌프로부터 상기 부하로 냉각제를 가이드하는 부하유입관; 및 상기 부하와 열 교환된 냉각제를 상기 증발기로 가이드하는 부하배출관을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 방열플레이트를 통과하는 냉매는 상기 단열재의 폐 냉각열을 흡수할 수 있다.

또한, 상기 방열플레이트는 통과하는 냉매에 의해 이슬점 온도 이상의 상온을 유지할 수 있다.

또한, 상기 단열재는 상기 저장탱크를 둘러싸도록 설치될 수 있으며, 상기 방열플레이트는 상기 단열재를 둘러싸도록 설치될 수 있다.

또한, 상기 방열플레이트는, 상기 단열재의 외측에서 면 접촉하도록 형성되어 열을 교환할 수 있다.

또한, 상기 방열플레이트는, 상기 단열재의 외측 방향으로 이격 되어 상기 단열재를 둘러싸도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 냉각시스템은, 상기 바이패스유입관에 설치되며, 상기 응축기를 통과한 냉매가 선택적으로 상기 바이패스 유입관에 유입될 수 있도록 개폐되는 바이패스밸브를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 저장탱크의 주위의 결빙 또는 결로를 감지하는 감지장치; 및 상기 감지장치의 감지 결과를 기초로 상기 바이패스밸브의 개방을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 감지장치는, 상기 저장탱크의 주변 온도가 이슬점 이하인지 여부를 감지할 수 있는 센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 저장탱크의 주변 온도가 이슬점 이하이면 상기 바이패스밸브를 개방(open)시킬 수 있다.

본 발명을 따르면, 응축 냉매를 바이패스하여 저장탱크에 설치되는 단열재의 외곽을 통과시킴으로써 극저온의 냉각 유체에 기인한 단열재의 두께가 종래보다 감소될 수 있다.

본 발명을 따르면, 갈수록 낮아지는 극저온의 온도 범위에도 단열재의 두께가 상대적으로 얇게 구비될 수 있기 때문에, 반도체 공정용 설비의 소형화를 이룰 수 있다.

본 발명을 따르면, 저장탱크에서 단열재에서 방열되는 일정량의 폐 냉각열이 응축 냉매가 유동하는 배관으로 회수되어 레큐퍼레이터에서 사용되기 때문에 에너지 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템에서 응축 냉매의 유동 흐름을 보여주는 도면

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템(1)은 냉매가 순환하는 냉매 사이클과, 부하를 냉각시키는 냉각제가 순환하는 냉각제 사이클을 형성할 수 있다.

상기 냉매 사이클에는 압축기(100), 응축기(50), 레큐퍼레이터(120), 팽창밸브(130) 및 증발기(150)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 증발기(150)는 상기 냉매 사이클을 순환하는 냉매와 상기 냉각제 사이클을 순환하는 냉각제를 열 교환시킬 수 있다. 즉, 상기 냉매는 상기 증발기(150)에서 상기 냉각제의 열을 흡수하여 증발할 수 있다.

상기 냉각제 사이클에는 펌프(200), 저장탱크(300) 및 냉각 대상인 부하(500)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 부하는 반도체 공정에서 필요한 온도로 유지 또는 제어되는 장치로 이해할 수 있다. 예를 들어, 상기 부하는 원자층 증착 장치(Atomic Laver Deposition)일 수도 있다.

그리고 상기 냉각제 사이클에서, 부하(500)를 통과한 냉각제는 상기 증발기(150)에서 상기 냉매와 열 교환한 후, 상기 저장탱크(300)로 유입될 수 있다.

상기 냉매 사이클은, 상온 냉매, 1차 저온 냉매 및 2차 저온 냉매 중 적어도 어느 두 냉매가 혼합되어 순환할 수 있는, 다중 냉매 사이클을 형성할 수 있다. 일례로, 상온 냉매가 순환하는 냉매 사이클은, 1차 저온 냉매 및 2차 저온 냉매가 혼합된 저온 냉매 사이클과 별개로 구성될 수도 있다. 이 경우, 상기 응축기(50)에는 상기 저온 냉매와 상기 상온 냉매가 열 교환할 수 있다.

상기 상온 냉매는, 공기 또는 물로 응축시킬 수 있는 냉매로서 R134a, R404a, R410a, R32 등을 포함할 수 있고, 상기 1차 저온 냉매는 상기 상온 냉매의 증발온도에서 응축될 수 있는 냉매로서 R116, R23, R508B 등을 포함할 수 있으며, 상기 2차 저온 냉매는 상기 1차 저온 냉매의 증발온도에서 응축될 수 있는 냉매로서 R1150, R14, R50 등을 포함할 수 있다.

또한, 상기 냉각제는 브라인(brine)을 포함할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템(1)의 구체적인 구성에 대해 상세히 설명하도록 한다.

먼저, 상기 냉각시스템(1)은 냉매를 압축하는 압축기(100), 상기 압축기(100)를 통과한 냉매를 응축시키는 응축기(50)와 레큐퍼레이터(120, recuperator), 상기 응축기(50)와 레큐퍼레이터(120)를 연결하는 버퍼배관(115), 상기 레큐퍼레이터(120)를 통과한 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(130) 및 상기 팽창밸브(130)를 통과한 냉매와 냉각제를 열 교환시키는 증발기(150)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 냉각시스템(1)은 상기 냉각제를 순환시키기 위한 펌프(200), 상기 냉각제에 의해 냉각되는 부하(500), 상기 부하(500)를 통과한 냉각제를 상기 증발기(150)로 가이드하는 부하배출관(220), 상기 증발기(150)를 통과한 냉각제를 저장하는 저장탱크(300) 및 상기 저장탱크(300)의 냉각제를 상기 펌프(200)로 가이드하는 탱크배출관(240)을 더 포함할 수 있다.

상기 압축기(100)는 냉매를 압축시킬 수 있다. 여기서, 압축되는 냉매는 상술한 바와 같이 혼합 냉매일 수 있다. 일례로, 상기 혼합 냉매는 상기 상온 냉매, 1차 저온 냉매 및 2차 저온 냉매 중 적어도 어느 두 냉매가 혼합된 냉매일 수 있다.

상기 압축기(100)에서 압축된 냉매(이하, “압축 냉매”)는 압축기(100)의 토출 측과 연결된 토출배관(105)에 의해 응축기(50)로 유동할 수 있다. 여기서, 상기 압축 냉매는 상대적으로 고온, 고압의 기상 상태일 수 있다.

상기 응축기(50)는 상기 압축기(100)에서 토출되는 압축 냉매와 열전달 유체 간의 열 교환이 수행되도록 구비할 수 있다. 즉, 상기 응축기(50)로 유입된 압축 냉매는, 상대적으로 저온인 상기 열전달 유체와 열 교환하여 응축될 수 있다.

한편, 1차 저온 냉매 및 2차 저온 냉매가 혼합된 혼합 냉매가 상기 응축기(50)로 유입된다면, 상기 응축기(50)를 통과하면서 응축된 냉매는 1차 저온 냉매로 이해할 수 있다. 즉, 상기 2차 저온 냉매는 상기 응축기(50)를 통과하여도 기상 상태(기상)를 유지할 수 있으며, 상기 2차 저온 냉매는 레큐퍼레이터(120)를 통과하면서 응축될 수 있다.

상기 응축기(50)는 상기 열전달 유체가 유동하는 배관(5)과 연결될 수 있다. 여기서, 상기 열전달 유체는 냉각수를 포함할 수 있다.

그리고 상기 응축기(50)는 상기 압축 냉매가 유입되는 냉매입구(미도시) 및 상기 열전달 유체와 열 교환된 응축 냉매가 토출되는 냉매출구(50a)를 포함할 수 있다.

상기 토출배관(105)은 상기 압축기(100)와 상기 응축기(50)를 연결할 수 있다. 상세히, 상기 토출배관(105)은 상기 압축기(100)의 토출 측으로부터 상기 응축기(50)의 냉매입구(미도시)까지 연장될 수 있다.

상기 응축기(50)를 통과한 냉매는 상기 냉매출구(50a)에 결합된 버퍼배관(115)으로 유입될 수 있다.

상기 버퍼배관(115)은 상기 응축기(50)와 상기 레큐퍼레이터(120)를 연결할 수 있다.

상기 레큐퍼레이터(120)는 상기 버퍼배관(115)이 연결되는 냉매입구(120a) 및 증발기(150)로 연장되는 연결배관(125)이 연결되는 냉매출구(미도시)를 포함할 수 있다. 일례로, 상기 버퍼배관(115)은 상기 냉매출구(50a)로부터 상기 레큐퍼레이터(120)의 냉매입구(120a)로 연장될 수 있다.

상기 레큐퍼레이터(120)는, 상기 버퍼배관(115)을 통해 유입된 냉매와 증발기(150)를 통과한 냉매 간의 열 교환이 이루어지도록 구비될 수 있다.

즉, 상기 버퍼배관(115)을 통해 레큐퍼레이터(120)로 유입된 냉매는, 상기 냉매입구(120a)로부터 상기 냉매출구(미도시)로 형성되는 유로를 따라 유동할 수 있다. 이때, 상기 냉매는 증발기(150)를 통과한 상대적으로 저온의 증발 냉매와 열 교환을 할 수 있다,

즉, 상기 증발기(150)를 통과한 증발 냉매는, 상기 레큐퍼레이터(120)의 내부를 유동하면서 상기 버퍼배관(115)에서 유입된 냉매와 상호 열 교환을 할 수 있다.

한편, 상기 버퍼배관(115)에서 상기 레큐퍼레이터(120)로 유입된 냉매 중 1차 저온 냉매는, 상기 증발기(150)를 통과한 냉매와 열 교환하면서 응축 온도를 더욱 낮출 수 있다. 그리고 상기 2차 저온 냉매는, 상기 증발기(150)를 통과한 냉매와 열 교환하면서 응축 온도 구간에 도달할 수 있다. 즉, 상기 레큐퍼레이터(120)를 통과하면서 2차 저온 냉매도 응축될 수 있다.

상기 연결배관(125)은 상기 레큐퍼레이터(120)와 증발기(150)를 연결할 수 있다. 일례로, 상기 연결배관(125)은 상기 토출포트로부터 상기 증발기(150)의 증발냉매입구(미도시)까지 연장될 수 있다.

상기 연결배관(125)은 상기 레큐퍼레이터(120)를 통과하면서 완전히 응축된 냉매를 상기 증발기(150)로 가이드할 수 있다. 그리고 상기 팽창밸브(130)는 상기 연결배관(125)에 설치할 수 있다. 즉, 상기 팽창밸브(130)는 상기 레큐퍼레이터(120)와 상기 증발기(150) 사이에 위치할 수 있다.

일례로, 상기 팽창밸브(130)는 전자팽창밸브(EEV)를 포함할 수 있다.

상기 레큐퍼레이터(120)를 통과하여 상기 연결배관(125)으로 유입된 냉매는 상기 팽창밸브(120)를 통과하면서 팽창할 수 있다. 그리고 상기 팽창된 냉매는, 상기 증발기(150)로 유입될 수 있다.

상기 증발기(150)는 상기 연결배관(125)을 통해 유입된 냉매와 부하(500)를 냉각시키기 위해 순환하는 냉각제가 열 교환하도록 구비될 수 있다. 여기서, 상기 냉각제는 브라인(brine)을 포함할 수 있다.

상기 증발기(150)에는 부하(500, 또는 반도체 공정용 설비)를 냉각시키기 위해 순환하는 냉각제가 통과할 수 있도록, 부하배출관(220) 및 탱크유입관(230)이 연결될 수 있다.

상기 부하배출관(220)을 통해 상기 증발기(150)로 유입된 상대적으로 고온의 냉각제는, 상기 연결배관(125)을 통해 유입된 냉매에 열을 방출하여 냉각될 수 있다. 그리고 상기 냉매와 열교환을 통해 냉각된 냉각제는 상기 탱크유입관(230)을 통해 저장탱크(300)로 유입될 수 있다. 이와 관련된, 냉각제의 유동에 대한 설명은 후술하도록 한다.

한편, 상기 연결배관(125)을 통해 증발기(150)로 유입된 냉매는, 상기 냉각제의 열을 전달받아 증발할 수 있다.

일례로, 상기 증발기(150)로 유입된 2차 저온 냉매는 상기 냉각제와 열 교환을 통해 증발할 수 있다. 따라서, 상기 2차 저온 냉매는 기상 상태로 상기 증발배관(155)에 유입될 수 있다. 이때, 상기 증발기(150)로 유입된 1차 저온 냉매는 상기 2차 저온 냉매 보다 상대적으로 증발 온도가 높기 때문에, 상기 냉각제와 열 교환을 통해 일부만 증발하거나 또는 액상 상태를 유지한 채 상기 증발배관(155)으로 유입될 수도 있다.

상기 증발배관(155)은 상기 증발기(150)와 상기 레큐퍼레이터(120)를 연결할 수 있다. 다만, 상기 증발배관(155)은 상기 연결배관(125)과 별도로 상기 증발기(150)와 상기 레큐퍼레이터(120)를 연결할 수 있다.

즉, 상기 증발기(150)를 통과한 냉매는 상기 증발배관(155)을 통해 상기 레큐퍼레이터(120)로 재차 유입될 수 있다.

그리고 상술한 바와 같이, 상기 증발배관(155)으로 유입된 저온냉매 중 일부는 액상 상태를 유지할 수 있다. 그리고 상기 증발배관(155)을 유동하는 냉매는, 상기 버퍼배관(115)을 통해 레큐퍼레이터(120)로 유입된 냉매 보다 온도가 낮을 수 있다. 따라서, 상기 증발배관(155)을 통해 상기 레큐퍼레이터(120)로 유입된 냉매는 상기 버퍼배관(115)을 통해 상기 레큐퍼레이터(120)로 유입된 냉매와 열 교환하면서 증발할 수 있다.

일례로, 상기 증발기(150)에서 미처 증발되지 않은 1차 저온 냉매는, 상기 레큐퍼레이터(120)로 재차 유입되어 열교환을 통해 완전히 증발될 수 있다.

상기 증발기(150)를 통과하면서 완전히 증발된 증발 냉매는, 기상 상태로 압축기(100)의 흡입 측으로 연결된 흡입배관(128)에 유입될 수 있다.

즉, 상기 흡입배관(128)은 상기 압축기(100)와 상기 레큐퍼레이터(120)를 연결할 수 있다. 따라서, 상기 레큐퍼레이터(120)로부터 상기 흡입배관(128)으로 유동하는 증발 냉매는 기상 상태로 상기 압축기(100)에 회수될 수 있다.

한편, 상기 저장탱크(300)에 저장된 냉각제는 상기 탱크배출관(240)을 통해 펌프(200)로 유입될 수 있다.

상기 펌프(200)는 상기 냉각제가 순환되도록 압력을 제공할 수 있다.

상기 펌프(200)의 토출 측에는 상기 부하(500)로 연장되는 부하유입관(210)이 결합될 수 있다.

상기 펌프(200)의 작동에 의해, 상기 부하유입관(210)으로 유입된 냉각제는 상기 부하(500)를 통과하면서 열을 흡수할 수 있다.

상기 부하(500)의 열을 흡수한 냉각제는 부하배출관(220)을 통해 상기 증발기(150)로 유입될 수 있다. 즉, 상기 부하배출관(220)은 상기 부하(500)의 출구에서 상기 증발기(150)의 냉각제 입구포트(미도시)로 연장될 수 있다.

상기 증발기(150)로 유입된 냉각제는 상술한 바와 같이 상대적으로 저온을 형성하는 상기 냉매와 열 교환됨으로써 냉각될 수 있다. 그리고 상기 증발기(150)를 통과하면서 냉각된 냉각제는 상기 탱크유입관(230)을 통해 저장탱크(300)로 유입될 수 있다.

즉, 상기 탱크유입관(230)은 상기 증발기(150)의 냉각제 출구포트(미도시)에서 상기 저장탱크(300)로 연장될 수 있다.

한편, 상기 저장탱크(300)로 유입되는 냉각제는 초저온 또는 극저온을 형성할 수 있다. 일례로, 상기 저장탱크(300)에 저장된 냉각제는 약 -100℃ 내외를 유지할 수 있다.

따라서, 상기 저장탱크(300)에는 냉각제의 온도를 유지시키기 위한 온도유지장치(305)가 설치될 수 있다. 또한, 상기 극저온의 냉각제에 기인하여 저장탱크(300)의 주위에 결로 또는 결빙을 방지할 수 있는 단열재(310,315)가 상기 저장탱크(300)에 설치될 수 있다.

종래 단열재는 저장되는 냉각제의 온도가 낮아질수록 두꺼워져 장치가 커지는 문제가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템(1)은 상기한 종래 문제를 해결하기 위해, 상기 저장탱크(300)의 단열을 위해 구비되는 단열재(310,315), 상기 단열재와 열 교환이 이루어지도록 설치되는 방열플레이트(320,325) 및 상기 방열플레이트(320,325)로 상기 응축기(50)를 통과한 냉매를 순환시킬 수 있는 바이패스라인(60,70) 및 상기 바이패스라인(60,70)에 설치되는 바이패스밸브(80)를 더 포함할 수 있다.

상기 단열재(310,315)는 상기 저장탱크(300)를 둘러싸도록 설치될 수 있다. 이 경우, 상기 방열플레이트(320,325)는 상기 단열재(310,315)의 외측에서 상기 단열재(310,315)를 둘러싸도록 형성할 수 있다.

또한, 상기 단열재(310,315)는 상기 저장탱크(300)의 형상에 따라 일 측에 설치되는 단열재(310)와 타 측에 설치되는 단열재(315)로 구분된, 복수 개로 구비될 수 있다.

이 경우, 상기 방열플레이트(320,325)는 상기 저장탱크(300)의 일 측에 설치된 단열재(310)와 열 교환하도록 결합하는 제 1 방열플레이트(320) 및 상기 저장탱크(300)의 타 측에 설치된 단열재(315)와 열 교환하도록 결합하는 제 2 방열플레이트(325)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 단열재(310,315)는 에틸렌프로필렌고무(EPDM)로 형성할 수 있다.

상기 방열플레이트(320,325)는 상기 응축기(50)를 통과한 냉매가 통과하도록 유로를 형성할 수 있다. 일례로, 상기 유로는 상기 단열재(310,315)의 외측 둘레를 따라 형성할 수 있다.

구체적으로, 상기 버퍼배관(115)은 상기 바이패스라인(60,70)이 결합하는 버퍼분지점(115a)과 버퍼합지점(115b)을 포함할 수 있다.

그리고 상기 바이패스라인(60,70)은 상기 버퍼분지점(115a)과 결합하는 바이패스유입관(60) 및 상기 버퍼합지점(115b)과 결합하는 바이패스토출관(70)을 포함할 수 있다.

상기 버퍼분지점(115a)은 상기 응축기(50)의 냉매출구(50a)에 가깝게 형성 및/또는 위치될 수 있다. 그리고 상기 버퍼합지점(115b)은 상기 레큐퍼레이트(120)의 냉매입구(120a)에 가깝게 형성 및/또는 위치될 수 있다.

이에 의하면, 상기 버퍼분지점(115a)과 상기 버퍼합지점(115b)의 압력 차를 이용하여 상기 바이패스라인(60,70)으로 응축기(50)를 통과한 냉매를 순환시킬 수 있다.

즉, 상기 바이패스유입관(60)은 상기 버퍼배관(115)으로부터 분기(115a)되어 상기 방열플레이트(320,325)로 연장될 수 있다.

그리고 상기 바이패스토출관(70)은 상기 방열플레이트(320,325)로부터 상기 버퍼배관(115)으로 합지(115b)되도록 연장될 수 있다.

상기 바이패스유입관(60)은 상기 응축기(50)를 통과한 냉매를 유입시켜 상기 방열플레이트(320,325)로 가이드할 수 있다. 그리고 상기 방열플레이트(320,325)는 상기 바이패스유입관(60)의 냉매를 통과시킬 수 있다. 상기 바이패스토출관(70)은 상기 방열플레이트(320,325)를 통과한 냉매를 유입시켜 상기 버퍼배관(115)으로 회수되도록 가이드할 수 있다.

상기 방열플레이트(320,325)는 상기 응축기(50)를 통과한 냉매가 통과하기 때문에 결로 또는 결빙을 방지할 수 있도록 이슬점 온도 이상의 상온을 유지할 수 있다. 즉, 상기 방열플레이트(320,325)는 상기 상온을 유지하도록 바이패스라인(60,70)과 연결될 수 있다.

또한, 상기 방열플레이트(320,325)는 상기 단열재(310,315)와 면 접촉하도록 형성할 수 있다. 그리고 상기 방열플레이트(320,325)가 접촉된 면을 통해 상기 응축기(50)를 통과한 냉매가 상기 단열재로부터 방열되는 폐 냉각열을 흡수할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템(1)은 응축 열원을 이용할 수 있도록, 상기 응축기(50)를 통과한 냉매를 바이패스라인(60,70)을 통해 상기 방열플레이트(320,325)로 통과시킴으로써, 단열재(310,35)를 사이로 발생하는 열원을 상기 냉매가 흡수(또는 냉매 사이클로 회수)시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 단열재(310,315)의 주위로 발산되는 폐 열을 상기 방열플레이트(320,325)를 유동하는 냉매가 흡수하게 되고, 이에 의하면 주위의 온도가 이슬점 이하로 떨어져 발생되는 결로 또는 결빙을 방지할 수 있다.

따라서, 냉각제의 온도가 낮아짐에 따라 단열재의 두께를 두껍게 할 필요가 없어지며, 결국 장치의 소형화를 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 방열플레이트(320,325)를 통과한 냉매는 흡수한 열원을 레큐퍼레이터(120)로 가져가 사용할 수 있기 때문에 에너지 손실을 저감시키고 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

한편, 상기 단열재(310,315)와 방열플레이트(320,325)가 복수 개로 구비된 경우, 상기 바이패스유입관(60)은 분지점(65)으로부터 각각 분기되어 복수 개의 방열플레이트(320,325)로 연장될 수 있다. 마찬가지로, 상기 바이패스토출관(70)은 각각의 방열플레이트(320,325)로부터 연장되는 관들이 합지점(75)에서 합지되도록 형성할 수 있다.

상기 바이패스밸브(80)는 상기 바이패스유입관(60)에 설치될 수 있다. 그리고 상기 바이패스밸브(80)는 솔레노이드 밸브를 포함할 수 있다.

상기 바이패스밸브(80)는 개폐동작을 통하여 상기 바이패스라인(60,70)으로 냉매가 선택적으로 순환시킬 수 있다.

한편, 상기 냉각시스템(1)은 상기 저장탱크(300)의 주위에 결빙 또는 결로를 감지할 수 있는 감지장치(미도시) 및 상기 바이패스밸브(80)의 개폐를 제어할 수 있는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 감지장치는 상기 저장탱크(30))의 주변 온도와 상기 주변 온도가 이슬점 이하인지를 감지할 수 있는 센서를 포함할 수 있다.

상기 제어부는 상기 감지장치의 감지 결과를 기초로 상기 바이패스밸브(80)의 개폐를 제어할 수 있다. 일례로, 상기 제어부는 상기 저장탱크(300)의 주변 온도가 이슬점 이하인 경우 상기 바이패스밸브(80)를 개방(open)시킬 수 있다. 따라서, 상기 바이패스유입관(60)으로 응축기(50)를 통과한 냉매가 유입될 수 있다.

반대로, 상기 제어부는 상기 저장탱크(300)의 주변 온도가 이슬점 이상인 경우, 상기 바이패스밸브(80)를 폐쇄(close)시킬 수 있다.

이하에서 도 2를 참조하여 냉매의 유동 과정을 간략히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각시스템에서 응축 냉매의 유동 흐름을 보여주는 도면이다.

도 2를 참조하면, 상기 응축기(50)의 냉매출구(50a)로부터 버퍼배관(115)으로 유입된 냉매는 바이패스유입관(60)과 버퍼배관(115)으로 분지되어 유동할 수 있다.(화살표 참고) 일례로, 상기 버퍼분지점(115a)에서 냉매의 상태는 온도가 18~25도(℃)이고, 압력이 15 ~ 20바(BAR)일 수 있다.

그리고 상기 바이패스유입관(60)으로 유입된 냉매는 상기 방열플레이트(320,325)로 유입되어 단열재(310,315)와 열 교환할 수 있다. 그리고 이 과정에서 주위 온도가 이슬점 이하로 떨어지지 않도록 할 수 있다.(화살표 참고)

이때, 상기 방열플레이트(320,325)를 통과하는 냉매의 상태는, 상기 버퍼분지점(115a)에서의 냉매의 온도와 압력을 20도(℃), 20바(BAR)로 한 실험의 경우에, 온도가 15도(℃)이고, 압력이 19바(BAR)가 될 수 있다.

이후, 상기 방열플레이트(320,325)를 통과한 냉매는 상기 바이패스토출관(70)으로 유입될 수 있다. 그리고 상기 바이패스토출관(70)으로 유입된 냉매는 다시 버퍼합지점(115b)을 통해 버퍼배관(115)으로 회수될 수 있다. 이때, 상술한 실험의 결과, 냉매입구(120a)로 유입되는 냉매의 상태는 온도가 17도 (℃)이고, 압력이 17바(BAR)일 수 있다.

즉, 상술한 실험에서 상기 바이패스라인(60,70)을 통과하면서 냉매는 온도가 3~4도(℃) 하락할 수 있으며, 압력이 2~3바(BAR) 하강할 수 있다.

1: 냉각시스템
50: 응축기
100: 압축기
120: 레큐퍼레이터
150: 증발기
200: 펌프
300: 저장탱크
500: 부하

Claims

냉매를 압축하는 압축기;
상기 압축기로부터 토출되는 냉매와 냉각수를 열 교환시키는 응축기;
상기 응축기로부터 토출되는 냉매가 유입되는 버퍼배관;
상기 버퍼배관으로부터 분기되는 바이패스유입관;
부하의 냉각을 위한 냉각제를 수용하는 저장탱크;
상기 부하를 통과한 냉각제와 상기 냉매를 열 교환시키는 증발기;
상기 증발기를 통과한 냉각제가 상기 저장탱크로 유입되도록 가이드하는 탱크유입관;
상기 저장탱크의 단열을 위해 구비되는 단열재; 및
상기 단열재와 열 교환이 이루어지도록 설치되며, 상기 바이패스유입관과 연결되는 방열플레이트를 포함하며,
상기 바이패스유입관의 냉매는, 상기 방열플레이트를 통과하는 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 방열플레이트를 통과한 냉매가 상기 버퍼배관으로 회수되도록 상기 방열플레이트에서 상기 버퍼배관으로 연장되는 바이패스토출관을 더 포함하는 냉각시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 버퍼배관은,
상기 바이패스유입관이 분지되는 버퍼분지점; 및
상기 바이패스토출관이 합지되는 버퍼합지점을 포함하며,
상기 버퍼분지점은 상기 응축기의 냉매출구에 가깝도록 위치하는 냉각시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 버퍼배관의 냉매를 도입시켜 상기 증발기를 통과한 냉매와 열 교환시키는 레큐퍼레이터를 더 포함하며,
상기 버퍼합지점은 상기 레큐퍼레이터의 냉매입구에 가깝도록 위치하는 냉각시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 방열플레이트는,
상기 저장탱크의 일 측에 설치된 단열재와 열교환되도록 결합하는 제 1 방열플레이트; 및
상기 저장탱크의 타 측에 설치된 단열재와 열교환되도록 결합하는 제 2 방열플레이트를 포함하며,
상기 바이패스유입관은, 상기 제 1 방열플레이트와 상기 제 2 방열플레이트로 연결되도록 분기되는 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각제를 순환시키기 위한 펌프;
상기 저장탱크에 수용된 냉각제를 상기 펌프로 가이드하는 탱크배출관;
상기 펌프로부터 상기 부하로 냉각제를 가이드하는 부하유입관; 및
상기 부하와 열 교환된 냉각제를 상기 증발기로 가이드하는 부하배출관을 더 포함하는 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 방열플레이트를 통과하는 냉매는 상기 단열재의 폐 냉각열을 흡수하는 하는 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 방열플레이트는 이슬점 온도 이상의 상온을 유지하는 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 단열재는 상기 저장탱크를 둘러싸도록 설치될 수 있으며,
상기 방열플레이트는 상기 단열재를 둘러싸도록 설치되는 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 방열플레이트는, 상기 단열재의 외측에서 면 접촉하도록 형성되는 냉각시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 바이패스유입관에 설치되며, 상기 응축기를 통과한 냉매가 선택적으로 상기 바이패스 유입관에 유입될 수 있도록 개폐되는 바이패스밸브를 더 포함하는 냉각시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 저장탱크의 주위의 결빙 또는 결로를 감지하는 감지장치; 및
상기 감지장치의 감지 결과를 기초로 상기 바이패스밸브의 개방을 제어하는 제어부를 더 포함하는 냉각시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 감지장치는, 상기 저장탱크의 주변 온도가 이슬점 이하인지 여부를 감지할 수 있는 센서를 포함하며,
상기 제어부는 상기 저장탱크의 주변 온도가 이슬점 이하이면 상기 바이패스밸브를 개방(open)시키는 냉각시스템.