선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 5℃ 이내에서 안정화되어 운전되면 목표온도를 80℃로 설정하여 무부하 상태에서 운전하도록 하였다. 이때 목표온도까지 도달하는 시간 및 소비전력을 파악하여 최적의 운전조건을 파악하고자 하였다.
- 이에 따라 본 연구에서는 국내에서 개발된 듀얼 채널을 적용하고 전자팽창밸브(EEV)와 핫가스 방식을 적용한 2세대 방식의 반도체 칠러에 관한 실험적 연구를 통하여 칠러의 부하변화 실험, 온도 상승 하강실험, 제어정밀도를 비교실험 함으로써 기존장비(Old model)(8)의 운전 상태를 파악하고 듀얼 채널을 적용한 반도체 칠러(New model)와의 성능을 비교하여 반도체 공정용 칠러의 성능개선 방향을 제시하고자 한다.
제안 방법
- 10은 설정온도 변화에 따른 제어정밀도를 나타낸 것으로 현재 반도체 공정에서 요구되는 제어정밀도 조건을 기준으로 히터부하를 2 kW로 10 cycle(1 cycle：2min on, 30sec off) 약 30분 실험으로 채널 별 공급온도가 ±1℃에서 일정하게 유지하는지 여부와 이때의 시스템 소비전력의 변화를 실험하였다.
- Fig. 4와 Fig. 5는 각 채널의 설정 온도에 따른 냉각능력과 성능을 나타낸 것으로서 채널 별로 동일하게 온도를 설정하고 가열히터 출력을 상승시켜 supply 온도가 설정온도 보다 1.5℃ 이상 상승할 때 coolant와의 열평형을 비교하여 부하를 측정하였다. 설정온도가 상승함에 따라 냉각능력이 점차 상승하는 일반적인 경향을 볼 수 있었으며, 듀얼방식 칠러의 경우 기존 방식의 칠러보다 설정온도 20℃ 이상에서 냉각능력이 크게 상승함을 볼 수 있는데 이는 20℃ 이상에서는 PCW 냉각방식으로 운전되어 PCW의 능력만큼 냉각능력이 상승하는 것으로 판단되어진다.
- Table 2는 반도체 칠러의 실험조건을 나타낸 것으로서 각 채널의 온도영역별 냉각능력 실험, 무부하 운전 시 온도상승 및 하강실험 그리고 사용 빈도가 높은 온도영역에서의 제어정밀도 실험 순서로 진행하였다. 칠러의 운전은 먼저 제어 온도를 설정한 후 PCW를 일정 유량, 압력으로 유입시키고, 칠러를 가동하여 coolant 공급(supply), 환수(return) 온도변화가 ±0.
- 그리고 Fig. 3과 같이 실제 반도체 공정에서 요구되어지는 조건에 따라 가열히터(Heat load JIG)를 각각 7 kW, 배관 3/4" 25 m를 상부, 하부로 제작하여 각 채널의 부하를 일정하게 유지하도록 하였으며, 가열히터의 출력을 측정할 수 있도록 전류 및 전압 변성기를 설치하였다.
- 냉각능력 실험은 칠러의 운전이 정상상태에 도달하였을 때 가열히터를 가동하여 시스템의 온도, 압력 및 소비전력 등을 측정하였다. 이때 coolant의 압력은 CH1, CH2 모두 600 kPa로 일정하게 유지되도록 설정온도에 따라 return valve를 이용하여 유량 및 압력을 조절하였으며, 가열히터 가동 후 시스템 안정화를 고려해 일정시간(약 10min) 진행 후 coolant 공급온도변화가 ±0.
- 시스템 각 부분의 압력과 온도를 측정하기 위해 고·저압 압력계와 T-type 열전대를 설치했으며, 측정된 온도는 다채널 온도기록장치(40CH)와 RS-232C 케이블을 통해 PC로 전송하여 처리하였다.
- 온도상승 및 하강실험은 초기구동 후 0℃에서 coolant 공급 온도변화가 ±0.5℃ 이내에서 안정화되어 운전되면 목표온도를 80℃로 설정하여 무부하 상태에서 운전하도록 하였다.
- 이때 coolant의 압력은 CH1, CH2 모두 600 kPa로 일정하게 유지되도록 설정온도에 따라 return valve를 이용하여 유량 및 압력을 조절하였으며, 가열히터 가동 후 시스템 안정화를 고려해 일정시간(약 10min) 진행 후 coolant 공급온도변화가 ±0.5℃ 이내에서 히터의 부하변화에 따라 냉각능력을 실험하였다.
- /h)를 설치였다. 이를 통하여 냉각수 온도 및 유량을 측정하여 열량을 계산할 수 있도록 하였으며, 냉각수의 온도는 항온조에서 일정온도로 공급할 수 있도록 하였다. 시스템 각 부분의 압력과 온도를 측정하기 위해 고·저압 압력계와 T-type 열전대를 설치했으며, 측정된 온도는 다채널 온도기록장치(40CH)와 RS-232C 케이블을 통해 PC로 전송하여 처리하였다.
- 장치는 2개의 채널(Channel)로 구성되며, CH1, CH2는 3HP급 압축기를 듀얼로 연결한 냉동사이클로서 압축기(Compressor), 응축기(Condenser), 팽창 밸브(Expansion valve), 증발기(Evaporator), 열교환기(Heat exchanger)로 구성되고, 각 채널 별 공정 온도는 -20～80℃ 공정까지 적용이 가능하게 설계, 제작되었다. 공정별 온도 제어는 핫 가스 바이패스 방식과 PCW(Process cooling water)유량제어 방식을 이용하였고, 이를 PID 제어방식으로 각각 제어가 가능하도록 하였다.
- 제어정밀도 실험은 사용빈도가 높은 온도대역 즉, 0℃, 30℃, 60℃ 상태에서 히터부하 2 kW를 2분간 공급하고 30초 간 차단하는 방식으로 10회 이상 운전하여 채널 별 공급 온도의 제어 정밀도 및 소비전력을 측정하여 기존 칠러와 듀얼방식 칠러의 제어 정밀도를 측정하여 비교 검토하도록 하였다.
이론/모형
- 장치는 2개의 채널(Channel)로 구성되며, CH1, CH2는 3HP급 압축기를 듀얼로 연결한 냉동사이클로서 압축기(Compressor), 응축기(Condenser), 팽창 밸브(Expansion valve), 증발기(Evaporator), 열교환기(Heat exchanger)로 구성되고, 각 채널 별 공정 온도는 -20～80℃ 공정까지 적용이 가능하게 설계, 제작되었다. 공정별 온도 제어는 핫 가스 바이패스 방식과 PCW(Process cooling water)유량제어 방식을 이용하였고, 이를 PID 제어방식으로 각각 제어가 가능하도록 하였다.
성능/효과
- (1) 냉각능력 및 성능은 기존방식의 칠러보다 30%이상 증가하는 경향을 보였고, 설정온도 20℃ 이상에서는 2배 이상 증가하는 경향으로 나타났다. 하지만 각 채널의 불균일한 냉매분배문제가 해결되어야 함을 알 수 있었다.
- (2) 온도상승 실험에서는 듀얼방식 칠러가 17분 정도 더 소요되었지만 소비전력은 4 kWh 정도 감소하는 것으로 나타났고, 온도하강 실험에서는 설정온도 20℃까지는 시간 및 소비전력이 급격히 감소하는 경향을 보이다가 압축기 운전모드로 전환되면서 소비전력이 7 kWh로 상승하고, 시간이 미세하게 지연되는 경향을 보였다.
- (3) 사용빈도가 높은 온도대역에서의 제어정밀도는 0℃ 설정에서 온도편차가 기존 칠러는 ±1℃, 듀얼방식 칠러는 ±0.5℃로 나타났다.
- COP와 EER의 경우도 마찬가지로 20℃ 이상에서 듀얼방식 칠러가 기존 방식의 칠러보다 크게 나타남을 볼 수 있는데 이는 듀얼방식 칠러는 PCW 냉각방식과 핫가스 방식으로 운전되어 히터의 사용이 없으므로 소비전력이 50% 이하로 감소되는 것으로 판단된다.
- 4 kWh로 각각 측정되었다. 듀얼방식 칠러의 경우 히터를 사용하지 않고 핫가스 방식으로 온도를 상승시키기 때문에 소요시간은 약 17분 정도 증가하지만 전력소비는 크게 감소하는 효과가 있음을 알 수 있었다.
- 5℃로 나타났다. 또한 30℃ 이상의 설정에서는 PCW 냉각방식으로 운전되어 압축기 및 히터의 전력소비가 없어 3.4 kWh로 대폭 감소하는 것을 볼 수 있었다. 하지만 듀얼방식 칠러의 경우 각 채널별로 냉매의 불균일한 분배에 의해 온도 편차가 0.
- 마지막으로 설정온도가 60℃로 변화했을 때 듀얼방식 칠러 CH1 공급온도의 편차는 0℃에서와 같은 양상을 볼 수 있으나 CH2는 ±1℃로 편차가 크게 나타났다.
- 먼저 설정온도 0℃에서 기존방식 칠러의 채널 공급온도는 ±1℃를 유지하지만 시스템 소비전력이 9～16 kWh로 크게 변화하는 것을 볼 수 있고, CH1보다 CH2의 변화 폭이 큰 것을 확인할 수 있었다.
- 5℃ 이상 상승할 때 coolant와의 열평형을 비교하여 부하를 측정하였다. 설정온도가 상승함에 따라 냉각능력이 점차 상승하는 일반적인 경향을 볼 수 있었으며, 듀얼방식 칠러의 경우 기존 방식의 칠러보다 설정온도 20℃ 이상에서 냉각능력이 크게 상승함을 볼 수 있는데 이는 20℃ 이상에서는 PCW 냉각방식으로 운전되어 PCW의 능력만큼 냉각능력이 상승하는 것으로 판단되어진다. 그리고 듀얼방식 칠러의 경우 CH1과 CH2의 냉각능력이 약 1 kW 정도 차이가 나는 것은 냉매의 불균일한 분배에 기인한 것으로 사료된다.
- 온도상승실험은 시스템이 안정화된 0℃에서 최종 목표온도인 80℃까지 기존 칠러는 약 26분, 듀얼방식 칠러의 경우 약 43분이 소요되었으며 평균 소비전력은 12.5 kWh, 8.4 kWh로 각각 측정되었다. 듀얼방식 칠러의 경우 히터를 사용하지 않고 핫가스 방식으로 온도를 상승시키기 때문에 소요시간은 약 17분 정도 증가하지만 전력소비는 크게 감소하는 효과가 있음을 알 수 있었다.
- 온도하강실험은 시스템이 안정화된 80℃에서 최종 목표온도인 0℃까지 기존 칠러는 약 32분, 듀얼 방식 칠러의 CH1은 약 21분이 소요되었으나 CH2의 경우 냉매의 불균일한 분배에 의하여 시간이 지연됨을 알 수 있다. 평균 소비전력은 7.
- 위의 실험결과를 종합하여 보면 반도체 공정용 칠러에서 사용빈도가 높은 온도의 경우 설정온도별 zone의 구분과 20℃의 PCW 냉각방식을 적용한 하이브리드 방식의 접목으로 시스템의 소비전력을 만족하는 절전형 반도체 칠러 시스템의 상용화가 가능할 것으로 판단되어진다. 하지만 설정온도가 30℃ 이상으로 높은 경우에는 듀얼방식에 따른 적절한 EEV 개도조절이 필요한 것으로 예상된다.
- 칠러의 운전은 먼저 제어 온도를 설정한 후 PCW를 일정 유량, 압력으로 유입시키고, 칠러를 가동하여 coolant 공급(supply), 환수(return) 온도변화가 ±0.5℃ 이내, 압력은 ±5 kPa이내의 범위에 있을 때 정상상태에 도달하였다고 판단하였다.
- 온도하강실험은 시스템이 안정화된 80℃에서 최종 목표온도인 0℃까지 기존 칠러는 약 32분, 듀얼 방식 칠러의 CH1은 약 21분이 소요되었으나 CH2의 경우 냉매의 불균일한 분배에 의하여 시간이 지연됨을 알 수 있다. 평균 소비전력은 7.65 kWh, 6.11 kWh로 각각 측정되었으며, 듀얼방식 칠러의 경우 20℃ 이후로 PCW 냉각방식에서 압축기 운전방식으로 전환되면서 소비전력이 약 4 kWh가량 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 향후 연구에는 듀얼채널 방식의 불균일한 냉매분배 문제를 해결하기 위하여 EEV를 적용한 실시간 냉매 PID 제어, 온도 대역 Zone 구분 시스템 등의 연구를 추가적으로 진행할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.