KR100884319B1 - Chiller apparatus for decreasing power consumption - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 칠러 장치에 관한 것으로, 특히 히터 출력을 절감하고 냉동기의 소비전력을 줄여 소비전력을 최소화하는 기술에 관련한다.The present invention relates to a chiller device, and more particularly, to a technology for minimizing power consumption by reducing heater power and reducing power consumption of a refrigerator.
칠러 장치는 반도체 소자의 제조공정에서 안정적인 공정제어를 위한 온도조절장치이다. 특히 칠러 장치는 여러 공정 중 식각 및 노광 공정에서 주로 사용하는데 공정 중 과도한 열이 발생하는 전극판 및 챔버(chamber)의 온도를 일정하게 유지시켜 줌으로써 고온으로 인한 웨이퍼의 파손 및 생산성의 저하를 막아준다.The chiller device is a temperature control device for stable process control in a semiconductor device manufacturing process. In particular, the chiller device is mainly used in the etching and exposure processes of various processes, and keeps the temperature of the electrode plate and chamber where excessive heat is generated during the process to prevent wafer breakage and productivity decrease due to high temperature. .
이러한 기능을 수행하는 칠러 장치의 냉동사이클은 냉매 경로와 브라인 경로가 증발기에서 중첩되어 열 교환이 이루어진다. 여기서, 브라인(brine)은 낮은 동결점을 가진 용액 또는 액체로, 보통 갈덴(galden)이나 에틸렌 글리콜 혼합물이 사용된다. In the refrigerating cycle of the chiller device performing this function, the refrigerant path and the brine path overlap each other in the evaporator, thereby performing heat exchange. Here, brine is a solution or liquid with a low freezing point, usually a galden or ethylene glycol mixture is used.
도 1은 종래의 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치의 한 예를 나타내는 계통도이다. 1 is a system diagram showing an example of a chiller apparatus for a conventional semiconductor processing equipment.
먼저 냉동사이클로 형성되는 냉매(예를 들어, 프레온 가스)의 순환경로를 보 면 다음과 같다.First, the circulation path of the refrigerant (for example, freon gas) formed by the refrigeration cycle is as follows.
(1) 압축기(10)에서 토출한 고온고압의 냉매는 20℃ 정도의 냉각수가 열 접촉하는 응축기(20)에서 응축되어 고압의 냉매액으로 상변화한 후,(1) After the high temperature and high pressure refrigerant discharged from the
(2) 응축된 냉매액은 고압 탱크인 수액기(30)에 저장되고,(2) the condensed refrigerant liquid is stored in the
(3) 수액기(30)를 나온 냉매액은 전자식 팽창밸브(40, EEV)에서 팽창하여 저온저압의 포화냉매 상태로 변하며,(3) The refrigerant liquid exiting the
(4) 저온저압의 포화냉매는 증발기(50)에서 브라인과 열 교환하여 증발하여 다시 압축기(10)로 유입되는 과정을 반복하게 된다.(4) The saturated refrigerant of low temperature and low pressure is evaporated by heat exchange with brine in the
또한, 브라인의 순환경로를 보면 다음과 같다.In addition, the brine circulation path is as follows.
(1) 반도체 공정용 설비를 빠져나온 브라인은 증발기(50)에서 냉매와의 열교환을 수행한 후,(1) After brine exiting the semiconductor processing equipment performs heat exchange with the refrigerant in the
(2) 탱크(60)에서 브라인 히터(70)에 의해 가열되고,(2) heated by the
(3) 브라인 펌프(70)에 의해 반도체 공정용 설비로 유입되는 경로를 형성한다.(3) A path flowing into the semiconductor processing facility is formed by the
이러한 종래의 구조에 의하면, 반도체 공정용 설비에서 -20℃ ~ 90℃의 온도영역을 제어하기 위해 운전시 항상 프레온 냉매 냉동기 운전에 의한 냉각모드과 히터 출력에 의한 가열모드를 동시에 운전하였다. According to this conventional structure, in the semiconductor processing equipment, the cooling mode by the freon refrigerant freezer operation and the heating mode by the heater output are always operated simultaneously in order to control the temperature range of -20 ° C to 90 ° C.
구체적으로, 외부부하가 열량을 흡열하는 조건일 경우, 냉동기 운전에 의한 냉매 증발잠열 냉각방식으로 브라인의 열량을 임의의 냉각용량으로 냉각한 후 냉각보상 온도제어 방식으로 히터 출력이 불특정하게 소비되었다. Specifically, when the external load absorbs heat, the heater output is unspecifically consumed by cooling the amount of heat of the brine to an arbitrary cooling capacity by the refrigerant evaporation latent cooling method by the refrigerator operation.
또한, 외부부하가 열량을 방열하는 조건의 경우, 히터에 의한 가열부하만 필요하고 냉각부하는 필요 없는 조건이 된다. 그럼에도 고온 운전조건에서 외부부하 변동에 의해 다시 냉동기 운전이 필요한 경우 냉동기의 초기 구동에 따른 온도 헌팅을 없애기 위해 불필요하게 냉동기 운전을 수행하였다. 이에 따라, 압축기의 전기모터 구동으로 인한 전력소비가 발생하였다.In addition, in the case of the condition that the external load dissipates the heat amount, only the heating load by the heater is required and the cooling load is not necessary. Nevertheless, when the freezer operation is needed again due to the external load change in the high temperature operating condition, the freezer operation was performed unnecessarily to eliminate the temperature hunting caused by the initial operation of the freezer. Accordingly, power consumption is generated due to the electric motor driving of the compressor.
따라서, 본 발명의 목적은 온도에 따른 운전영역에 기초하여 브라인의 온도를 제어하는 방식을 다르게 함으로써 전체적으로 소비전력을 절감할 수 있는 칠러 장치를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a chiller device that can reduce the overall power consumption by changing the way of controlling the temperature of the brine based on the operating area according to the temperature.
본 발명의 다른 목적은 냉동기 운전을 최소화하는 칠러 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a chiller device for minimizing freezer operation.
본 발명의 또 다른 목적은 외부 부하의 선별에 따라 제어방식을 달리함으로써 히터 출력을 최소화하는 칠러 장치를 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a chiller device that minimizes heater output by varying the control method according to the selection of external load.
상기의 목적은, 압축기, 응축기, 전자식 팽창밸브, 및 증발기를 반복 순환하는 냉매 경로를 포함하며, 상기 증발기에서 반도체 공정용 설비에 제공되는 브라인 경로와 열 접촉하여 열 교환이 이루어지는 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치로서, 상기 브라인 경로는 브라인 리턴단에 냉각수 열교환기와 개폐밸브를 구비하고 상기 냉각수 열교환기를 바이패스하도록 선택하는 바이패스 밸브가 설치된 바이패스 경로를 포함하며, 상기 응축기와 열 접촉하도록 구성된 냉각수 경로는 병렬로 상기 냉각수 열교환기를 경유하는 칠러 장치에 의해 달성된다.The above object includes a refrigerant path which repeatedly circulates a compressor, a condenser, an electronic expansion valve, and an evaporator, wherein the heat exchange is performed in thermal contact with a brine path provided to the semiconductor processing facility in the evaporator. A chiller apparatus, wherein the brine path includes a bypass path having a coolant heat exchanger and an on / off valve at a brine return stage, and a bypass path installed with a bypass valve selected to bypass the coolant heat exchanger, the coolant path configured to be in thermal contact with the condenser. Is achieved by a chiller device via the cooling water heat exchanger in parallel.
상기의 구조에 의하면, 온도영역을 확인하고 저온 운전의 경우 냉매 냉각과 저출력의 온도보상용 히터를 적용하고, 고온 운전의 경우 외부 부하의 조건에 따라 냉각수 냉각과 온도보상용 히터 가열 또는 가열용 히터만의 가열을 선택적으로 적용함으로써 소비전력을 최소화할 수 있다.According to the above structure, the temperature range is checked, and in the case of low temperature operation, a refrigerant cooling and a low output temperature compensation heater are applied.In the case of a high temperature operation, a cooling water cooling and a temperature compensation heater heating or heating heater are used depending on the conditions of an external load. By selectively applying only heating, power consumption can be minimized.
또한, 냉매 냉각이 아닌 냉각수 냉각을 적용함으로써 냉동기 사이클의 운전을 제한할 수 있기 때문에, 냉동기 소비전력을 절반 정도로 줄일 수 있고, 운전 제한에 따라 냉동 부품의 유지보수 건수가 감소하며, 프레온 냉매의 사용량을 줄일 수 있다. In addition, since the operation of the freezer cycle can be restricted by applying the cooling water cooling instead of the cooling of the refrigerant, the power consumption of the refrigerator can be reduced by about half, and the number of maintenance of the refrigeration parts is reduced according to the operation restriction. Can be reduced.
또한, 외부 부하 선별에 의해 저출력 히터를 이용하여 온도보상 가열을 하기 때문에 히터 출력을 최소화할 수 있다. In addition, since the temperature compensation heating is performed using a low output heater by external load selection, the heater output can be minimized.
또한, 냉각수 냉각/온도보상용 히터 가열과 가열용 히터만의 가열을 전환시 냉매 냉각방식에 따른 압축기 초기 구동에 의한 온도 헌팅이 발생하지 않는다.In addition, the temperature hunting by the initial drive of the compressor according to the refrigerant cooling method does not occur when switching between cooling water cooling / temperature compensation heater heating and heating heater only.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 칠러 장치를 나타내는 계통도이다.2 is a system diagram showing a chiller device of the present invention.
도 2를 참조하면, 냉매 경로는 종래와 같이 압축기(10), 응축기(20), 수액기(30), 전자식 팽창밸브(40), 및 증발기(50)를 순환하는 경로로 이루어진다. 또한, 브라인 경로는 증발기(50), 히터(62, 64)를 구비한 탱크(60), 및 브라인 펌프(70)로 이루어지며, 히터는 저출력의 온도보상용 히터(64)와 고출력의 가열용 히터(62)로 이루어진다.Referring to FIG. 2, the refrigerant path includes a path circulating through the
본 발명에 따르면, 브라인 경로의 브라인 리턴단(100)에는 직렬로 연결된 개폐밸브(92)와 냉각수 열교환기(80)가 설치되며, 냉각수 열교환기(80)를 바이패스하 도록 바이패스 밸브(90)를 구비한 바이패스 경로(102)가 병렬로 연결된다. 또한, 냉매 경로의 응축기(20)와 열 접촉하도록 구성된 냉각수 경로(200, 210)는 병렬로 냉각수 열교환기(80)를 경유하도록 구성된다.According to the present invention, the
도 3은 본 발명의 칠러장치에 적용되는 온도제어방법을 설명하는 플로차트이다.3 is a flowchart illustrating a temperature control method applied to a chiller device of the present invention.
이하, 온도제어방법을 도 2와 3을 참조하여 설명한다.Hereinafter, the temperature control method will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
통상, 반도체 공정의 경우 챔버의 상부와 하부에 각각 한 채널씩 두 개의 채널이 적용되는데, 하나의 채널은 상온 이상의 온도, 가령 30℃ ~ 90℃를 사용하고, 다른 채널은 상온 이하의 온도, 가령 -20℃ ~ 29℃를 사용한다. 그러나, 공정의 특성에 따라 -20℃ ~ 90℃의 전체 영역을 사용하는 조건이 있기 때문에 채널별로 전체 영역의 운전이 가능해야 한다.In general, in the semiconductor process, two channels are applied to the upper and lower portions of the chamber, respectively, one channel uses a temperature above room temperature, such as 30 ° C. to 90 ° C., and the other channel uses a temperature below room temperature. Use -20 ° C to 29 ° C. However, since there are conditions that use the entire region of -20 ° C to 90 ° C according to the characteristics of the process, the entire region should be operated for each channel.
본 발명에 따르면, 먼저 반도체 챔버의 설정온도에 따른 운전영역을 확인한다(단계 S31). According to the present invention, first, the operation region according to the set temperature of the semiconductor chamber is checked (step S31).
이어, 운전영역이 상온 이하의 온도, 가령 -20℃ ~ 29℃를 사용하는 제 1 운전영역인지, 상온 이상의 온도, 가령 30℃ ~ 90℃를 사용하는 제 2 운전영역인지를 판정한다(단계 S32).Subsequently, it is determined whether the operating region is a first operating region using a temperature below room temperature, for example, -20 ° C to 29 ° C, or a second operating region using a temperature above room temperature, such as 30 ° C to 90 ° C (step S32). ).
확인된 운전영역이 제 1 운전영역, 즉 -20℃ ~ 29℃의 저온 운전인 경우, 제 1 제어모드를 적용하여 온도를 제어한다(단계 S33).If the confirmed operation region is the first operation region, that is, the low temperature operation of -20 ° C to 29 ° C, the temperature is controlled by applying the first control mode (step S33).
제 1 제어모드First control mode
도 2를 참조하면, 칠러 장치의 제어부는 브라인 리턴단(100)에 설치된 개폐 밸브(92)를 닫고 바이패스 경로(102)의 바이패스 밸브(90)를 여는 한편, 온도보상용 히터(64)를 동작시킨다.Referring to FIG. 2, the controller of the chiller device closes the on / off
이에 따라, 반도체 공정용 설비에서 리턴하는 브라인은 바이패스 경로(102)를 거쳐 증발기(50)에서 냉매와의 열교환을 수행한 후, 탱크(60)에서 1㎾의 저출력 히터(64)에 의해 온도보상 가열되고, 브라인 펌프(70)에 의해 반도체 공정용 설비로 공급된다.Accordingly, the brine returned from the semiconductor processing facility performs heat exchange with the refrigerant in the
이와 같이, 온도영역을 확인하고 그에 따라 프레온 냉매가스로 브라인의 온도를 내리는 냉매 냉각과 브라인의 온도를 설정온도로 고정밀 제어하기 위한 저출력의 온도보상용 히터를 적용함으로써 소비전력을 최소화할 수 있다.In this way, the power consumption can be minimized by checking the temperature range and applying a low power temperature compensation heater for high-precision control of the cooling of the brine to the set temperature and the cooling of the brine with the freon refrigerant gas accordingly.
한편, 확인된 운전영역이 제 2 운전영역, 즉 30℃ ~ 90℃의 고온 운전인 경우, 제 2 또는 제 3 제어모드를 적용하여 온도를 제어한다.On the other hand, when the identified operation region is a second operation region, that is, a high temperature operation of 30 ° C to 90 ° C, the temperature is controlled by applying the second or third control mode.
이를 위해, 반도체 챔버 내부에서 발생하는 열량에 의한 외부 부하가 방열조건인지 흡열조건인지를 선별한다(단계 S34). 여기서, 방열조건이란 외부 부하, 즉 브라인이 열 접촉에 의해 반도체 공정용 설비에 열을 방출하여 리턴되는 브라인의 온도가 공급되는 브라인의 온도보다 낮게 되는 상태를 말한다. 반면에, 흡열조건이란 브라인이 반도체 공정용 설비로부터 열을 흡수하여 리턴되는 브라인의 온도가 공급되는 브라인의 온도보다 높게 되는 상태를 말한다.To this end, it is selected whether the external load due to the heat generated inside the semiconductor chamber is a heat dissipation condition or an endothermic condition (step S34). Here, the heat dissipation condition refers to a state in which the external load, that is, the brine temperature is returned to the semiconductor processing equipment by thermal contact, is lower than the brine temperature supplied. On the other hand, the endothermic condition refers to a state in which the brine absorbs heat from the semiconductor processing equipment and the temperature of the brine returned is higher than the temperature of the brine supplied.
외부 부하가 흡열조건인 경우, 다시 말해 반도체 챔버에서 흡열되는 외부 부하의 열량만큼 브라인을 냉각해야 하는 경우, 즉 냉각부하가 요구되는 경우이므로 제 2 제어모드를 적용하여 온도를 제어한다.When the external load is an endothermic condition, that is, when the brine needs to be cooled by the amount of heat of the external load absorbed in the semiconductor chamber, that is, the cooling load is required, the temperature is controlled by applying the second control mode.
제 2 제어모드2nd control mode
도 2를 참조하면, 칠러 장치의 제어부는 냉각부하가 요구됨에도 냉매 냉각 사이클을 정지함과 동시에 브라인 리턴단(100)에 설치된 바이패스 밸브(90)를 닫고 개폐밸브(92)를 열어 브라인이 냉각수 열교환기(80)를 경유하도록 하는 한편, 온도보상용 히터(64)를 동작시킨다.2, the control unit of the chiller device stops the refrigerant cooling cycle even when the cooling load is required, and closes the
이에 따라, 반도체 공정용 설비에서 리턴하는 브라인은 냉각수 열교환기(80)에서 냉각수 경로(200, 210)를 따라 순환하는 냉각수와 열교환을 수행한 후, 탱크(60)에서 1㎾의 저출력 히터(64)에 의해 온도보상 가열되고, 브라인 펌프(70)에 의해 반도체 공정용 설비로 공급된다.Accordingly, the brine returned from the semiconductor process facility performs heat exchange with the cooling water circulated along the
이와 같이, 고온 운전의 경우 외부 부하가 흡열조건인 경우에도 냉매 냉각이 아닌 외부로부터 공급되는 냉각수를 이용하여 브라인을 냉각하는 냉각수 냉각을 적용함으로써 냉동기 사이클의 운전을 제한할 수 있다. 이에 따라, 냉동기 소비전력을 절반 정도로 줄일 수 있고, 운전 제한에 따라 냉동 부품의 유지보수 건수가 감소하며, 프레온 냉매의 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 외부 부하 선별에 의해 저출력 히터를 이용하여 온도보상 가열을 하기 때문에 히터 출력을 최소화할 수 있다. 더욱이, 제 2 모드와 후술하는 제 3 모드의 전환시 냉매 냉각방식에 따른 압축기 초기 구동에 의한 온도 헌팅이 발생하지 않는다.As such, in the case of high temperature operation, even when the external load is an endothermic condition, the operation of the freezer cycle may be limited by applying the cooling water cooling to cool the brine using the cooling water supplied from the outside instead of the cooling of the refrigerant. Accordingly, the power consumption of the refrigerator can be reduced by about half, the number of maintenance of the refrigeration parts can be reduced according to the operation restriction, and the usage of the freon refrigerant can be reduced. In addition, since the temperature compensation heating is performed using a low output heater by external load selection, the heater output can be minimized. Moreover, the temperature hunting by the initial drive of the compressor according to the refrigerant cooling method does not occur when switching between the second mode and the third mode described later.
이에 비해, 외부 부하가 방열조건인 경우, 다시 말해, 챔버에서 빼앗겨 방열된 외부 부하의 방열량만큼 브라인을 가열해야 하는 경우, 즉 가열부하가 요구되는 경우이므로 제 3 제어모드를 적용하여 온도를 제어한다.On the other hand, when the external load is a heat dissipation condition, that is, when the brine needs to be heated by the heat dissipation amount of the external load taken away from the chamber and that is, the heating load is required, the temperature is controlled by applying the third control mode. .
제 3 제어모드3rd control mode
도 2를 참조하면, 칠러 장치의 제어부는 가열부하가 요구되기 때문에 냉매 냉각 사이클을 정지시키고, 브라인 리턴단(100)에 설치된 개폐밸브(92)를 닫고 바이패스 경로(102)의 바이패스 밸브(90)를 여는 한편, 온도보상용 히터(64)보다 용량이 두 배 이상 큰 가열용 히터(62)를 동작시킨다.Referring to FIG. 2, the controller of the chiller device stops the refrigerant cooling cycle because heating load is required, closes the on / off
이에 따라, 반도체 공정용 설비에서 리턴하는 브라인은 바이패스 경로(102)를 거쳐 탱크(60)로 유입되고 3㎾의 고출력 히터(62)에 의해 가열되고, 브라인 펌프(70)에 의해 반도체 공정용 설비로 공급된다.Accordingly, the brine returned from the semiconductor processing equipment flows into the
이와 같이, 고온 운전의 경우 외부 부하가 방열조건이어서 가열부하가 요구되는 경우 가열용 히터에 의한 단독 제어를 적용함으로써 냉동기 사이클의 운전을 제한할 수 있어 냉동기 소비전력을 절반 정도로 줄일 수 있고, 운전 제한에 따라 냉동 부품의 유지보수 건수가 감소하며, 프레온 냉매의 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 온도보상용 히터를 사용하지 않고 가열용 히터만을 단독으로 사용하기 때문에 히터 출력을 최소화할 수 있다.As such, in the case of high temperature operation, when the external load is a heat dissipation condition and the heating load is required, the operation of the freezer cycle can be restricted by applying the independent control by the heating heater, thereby reducing the power consumption of the refrigerator to about half and limiting the operation. As a result, the number of maintenance of the refrigeration parts is reduced, and the amount of the freon refrigerant can be reduced. In addition, since only the heater for heating is used alone without using the temperature compensation heater, the heater output can be minimized.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.In the above description, the embodiment of the present invention has been described, but various changes can be made at the level of those skilled in the art. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited to the above embodiment, but should be interpreted by the claims described below.
도 1은 종래의 반도체 공정설비를 위한 칠러 장치의 한 예를 나타내는 계통도이다. 1 is a system diagram showing an example of a chiller apparatus for a conventional semiconductor processing equipment.
도 2는 본 발명의 칠러 장치를 나타내는 계통도이다.2 is a system diagram showing a chiller device of the present invention.
도 3은 본 발명의 칠러 장치에 적용되는 온도제어방법을 설명하는 플로차트이다.3 is a flowchart illustrating a temperature control method applied to a chiller device of the present invention.
Claims (2)
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| KR1020080121888A KR100884319B1 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | Chiller apparatus for decreasing power consumption |
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| KR1020080121888A KR100884319B1 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | Chiller apparatus for decreasing power consumption |
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