KR101254935B1 - 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 제조설비의 클린룸으로 공급되는 공기의 여과 그리고 온도와 습도를 제어하는 공조장치에 관한 것으로, 특히 기존 공조시스템에서 대기로 방출되는 폐열을 회수하여 해당 폐열의 에너지만큼 별도의 에너지 공급이 없이 습도를 조절하도록 하며 폐열 재이용 코일 및 응축 코일을 다단으로 STEP 구분하여 실내 부하 또는 외기 부하의 변동에 따라 증발기의 제습 부하가 변동되므로 응축기에서 발열되는 열량 변화를 효과적으로 정밀하게 제어하기 위한 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 반도체 제조설비의 클린룸으로 공급되는 공기의 여과 그리고 온도와 습도를 제어하는 공조장치에 관한 것으로, 특히 기존 공조시스템에서 대기로 방출되는 폐열을 회수하여 해당 폐열의 에너지만큼 별도의 에너지 공급이 없이 습도를 조절하도록 하며 폐열 재이용 코일 및 응축 코일을 다단으로 STEP 구분하여 실내 부하 또는 외기 부하의 변동에 따라 증발기의 제습 부하가 변동되므로 응축기에서 발열되는 열량 변화를 효과적으로 정밀하게 제어하기 위한 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체나 액정표시장치와 같은 물품의 제조는 고 청정도가 유지되는 클린룸(Clean room) 내에서 이루어지게 된다. 한편 클린룸으로 유입되는 공기를 통해 먼지나 오염물질이 유입되는 것을 방지하고, 유입되는 공기의 온도 및 습도를 최적의 조건(12℃ 90%)으로 조정하기 위하여 외기공조장치가 사용되고 있다.
한편 반도체나 액정표시장치의 제조공정에서 소요되는 에너지의 대부분(약 90%)은 전력이고, 이중 40%를 공조설비가 소비하게 되며, 공조설비에서 소비되는 대부분의 전력은 상기와 같이 구성되어 클린룸으로 도입되는 외기를 처리하는 외기공조장치를 작동하는데 사용되고 있다.
따라서 외기부하를 감소시켜 외기공조장치에서 사용되는 전력을 감소시키는 것만으로도 매우 큰 에너지 절감효과를 기대할 수 있게 된다.
이에 클린룸으로부터 배출되는 배기의 열을 회수하여 도입외기의 예열이나 예냉에 사용함으로써 외기부하를 감소시켜 에너지를 절감하는 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나 외기공조장치의 경우, 상당히 많은 에너지를 소모함에 따라 배기의 열을 회수하여 도입외기를 예열 또는 예냉하는 것만으로는 에너지 절감에 대한 요구를 충분히 만족하지 못하는 문제점이 있었다.
더욱이 클린룸은 냉방 에너지 부하가 크고, 여름철 외기의 습도가 높아 제습부하가 대부분을 차지하며, 따라서 클린룸 공조시 습도조절을 위해 대부분은 냉각 제습하고 별도의 난방으로 재열하는 시스템으로 구성되는데, 냉각제습의 문제점은 실내 설정 온·습도를 해당하는 노점온도까지 과냉각하여 제습한 후 다시 적정온도까지 재열(Reheating)하므로, 냉각과 가열이라는 상반된 작용으로 인하여 에너지 과소비 현상이 발생한다는 것이다.
상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은, 반도체 제조설비의 클린룸으로 공급되는 공기의 여과 그리고 온도와 습도를 제어하는 공조장치에 관한 것으로, 특히 기존 공조시스템에서 대기로 방출되는 폐열을 회수하여 해당 폐열의 에너지만큼 별도의 에너지 공급이 없이 습도를 조절하도록 하며 폐열 재이용 코일 및 응축 코일을 다단으로 STEP 구분하여 실내 부하 또는 외기 부하의 변동에 따라 증발기의 제습 부하가 변동되므로 응축기에서 발열되는 열량 변화를 효과적으로 정밀하게 제어하기 위한 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치의 특징은, 입구 공기를 공기조화하기 위한 증발기와, 상기 증발기의 냉방 용량을 제어하도록 온/오프 사이클링을 이루는 응축기와, 상기 증발기와 응축기사이의 냉매 순환을 위한 도관과, 상기 도관을 통해 흐르는 냉매의 흐름경로를 제어하기 위한 밸브, 및 상기 도관 사이에 위치하며 상기 증발기와 응축기의 동작에 따라 발생되는 열중 여분의 열에너지를 축적하는 축열기와 압축기를 구비한 공기조화 시스템에 있어서: 상기 응축기는 다수의 냉매 응축수단을 구비하고 유입되는 냉매를 균등 분배받아 각각 응축 동작하되 각각의 냉매 응축수단의 후단에 제어신호에 의해 냉매 배출을 온오프하는 다수의 밸브를 구비함으로써 냉매 응축효율을 세밀 제어할 수 있도록 구성되며; 상기 축열기와 압축기의 동작과 증발기의 동작에 따라 배출되는 폐열의 정도에 따라 제어신호에 의해 배출 공기 온도에 영향을 미치도록 냉매의 팽창을 조절하기 위해 냉매를 재가열하도록 다수의 냉매 재가열 수단을 구비하고 유입되는 냉매를 균등 분배받아 각각 재가열 동작하되 각각의 냉매 재가열수단의 전단에 제어신호에 의해 냉매 배출을 온오프하는 다수의 밸브를 구비함으로써 냉매 가열효율을 세밀 제어할 수 있도록 구성된 재가열히터와; 상기 축열기와 압축기의 동작에 따라 배출되는 폐열을 상기 재가열히터측으로 공급하는 도관사이에 위치하며 상기 재가열히터측으로 전달되는 냉매의 량을 제어하는 다수의 솔레노이드 밸브와; 상기 응축기의 냉매 입출력 도관상에 각각 구비되어 비례제어 신호에 따라 개폐방향이 변경되도록 하는 3웨이 밸브와; 배출 공기 습도에 영향을 미치도록 공기조화된 입구 공기의 선택된 일부에 미세 물방울을 분포시키는 가습기; 및 폐열이용 제어의 효율이 극도로 저하된 경우에 배출 공기 온도에 영향을 미치도록 공기조화된 입구 공기의 선택된 일부를 재가열하도록 구성된 서브가열기를 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.
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상술한 본 발명에 따른 특징으로 인해 기대되는 효과로는, 하절기 외기의 습도가 높아 제습을 하는 과정에서 과냉각으로 온도가 낮아져 재 가열이 이루어지는데 많은 열에너지가 소모되는데, 기존의 공조기는 공기를 냉각하는 과정에서 발생하는 실외기의 폐열을 대기 중에 방출하는 방식이었으나, 본 발명에서는 대기로 방출되는 폐열을 회수하여 해당 폐열의 에너지만큼 별도의 에너지 공급이 없이 습도를 조절하도록 하며, 또한 실외기의 폐열을 회수하고 재가열하여 과냉각된 온도를 보정하며 적정 조건을 일정하게 유지하는 부가적인 효과를 기대한다.
더욱이 폐열 재이용 코일 및 응축 코일을 다단으로 STEP 구분하여 실내 부하 또는 외기 부하의 변동에 따라 증발기의 제습 부하가 변동되므로 응축기에서 발열되는 열량 변화를 효과적으로 정밀하게 제어하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치의 세부 구성 및 계통 예시도
도 2와 도 3은 본 발명에 따른 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치의 제어 방법을 설명하기 위한 개념도
도 2와 도 3은 본 발명에 따른 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치의 제어 방법을 설명하기 위한 개념도
발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
우선적으로 본 발명에 적용되는 기술적 사상을 살펴보면, 하절기 외기의 습도가 높아 제습을 하는 과정에서 과냉각으로 온도가 낮아져 재 가열이 이루어지는데 많은 열에너지가 소모되는데, 기존의 공조기는 공기를 냉각하는 과정에서 발생하는 실외기의 폐열을 대기 중에 방출하는 방식이었으나, 본 발명에서는 대기로 방출되는 폐열을 회수하여 해당 폐열의 에너지만큼 별도의 에너지 공급이 없이 습도를 조절하도록 하고자 하는 데 착안한 것이다.
또한 실외기의 폐열을 회수하고 재가열하여 과냉각된 온도를 보정하며 적정 조건을 일정하게 유지하는 부가적인 효과를 기대한다.
더욱이 폐열을 회수하여 제어하는 일련의 동작을 보다 세밀하게 제어하기 위하여 응축기와 재가열기를 구성하는 응축수단과 재가열수단을 다단으로 구성하고 다단으로 구성되어진 각 구성요소의 입출력단자에 냉매의 입출력량을 조절하기 위한 밸브를 구비함으로써 제어신호에 의해 온/오프 동작하도록 하여 미세제어를 단성하게 된다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치로서, 습도가 높은 하절기에는 외기를 클린룸 내부에 공급하면 상대습도가 높아져 제습이 필요한데, 습도를 조절하기 위해서 공조기에서 냉각제습 운전이 이루어져 실내의 온도가 낮아지며 온도를 보상하기 위해서 가열을 하게 된다.
따라서 냉각제습 운전모드에서 실외기로부터 버려지는 열을 공조기에 재활용하고, 응축기의 온도가 낮아져 냉동기의 성적계수가 향상되므로 효율적으로 에너지 비용을 절감 할 수 있는 공조시스템이다.
입구 공기를 공기조화하기 위한 증발기(230)와, 상기 증발기(230)의 냉방 용량을 제어하도록 온/오프 사이클링을 이루는 응축기(110)와, 상기 증발기(230)와 응축기(110)사이의 냉매 순환을 위한 도관(140)과, 상기 도관(140)을 통해 흐르는 냉매의 흐름경로를 제어하기 위한 밸브(참조번호 미부여), 및 상기 도관(140) 사이에 위치하며 상기 증발기(230)와 응축기(110)의 동작에 따라 발생되는 열중 여분의 열에너지를 축적하는 축열기(130)와 압축기(120)를 기본적인 구성으로 한다.
이때 상기 응축기(110)는 다수의 냉매 응축수단을 구비하고 유입되는 냉매를 균등 분배받아 각각 응축 동작하되 각각의 냉매 응축수단의 후단에 제어신호에 의해 냉매 배출을 온오프하는 다수의 밸브를 구비함으로써 냉매 응축효율을 세밀 제어할 수 있도록 구성되어진다.
또한, 상기 응축기(110)의 냉매 입출력 도관(140)상에 각각 구비되어 비례제어 신호에 따라 개폐방향이 변경되도록 하는 3웨이 밸브(A, B)가 구비되어진다.
상기 축열기(130)와 압축기(120)의 동작과 증발기(230)의 동작에 따라 배출되는 폐열의 정도에 따라 제어신호에 의해 배출 공기 온도에 영향을 미치도록 냉매의 팽창을 조절하기 위해 냉매를 재가열하도록 구성된 재가열히터(210A)를 구비하는데, 상기 재가열히터(210A) 역시 다수의 냉매 재가열 수단을 구비하고 유입되는 냉매를 균등 분배받아 각각 재가열 동작하되 각각의 냉매 재가열수단의 전단에 제어신호에 의해 냉매 배출을 온오프하는 다수의 밸브를 구비함으로써 냉매 가열효율을 세밀 제어할 수 있도록 구성한다.
이때 상기 축열기(130)와 압축기(120)의 동작에 따라 배출되는 폐열을 상기 재가열히터(210A)측으로 공급하는 도관(140)사이에 위치하며 상기 재가열히터(210A)측으로 전달되는 냉매의 량을 제어하는 다수의 솔레노이드 밸브(220)가 구비되며, 배출 공기 습도에 영향을 미치도록 공기조화된 입구 공기의 선택된 일부에 미세 물방울을 분포시키는 가습기(240)를 포함한다.
상기 구성 중 압축기(120)는 역순환 사이클을 이루는 냉매가 부족하거나 냉매의 압축 압력이 느슨해졌을 때 이를 보충해주기 위해 해당 냉매 사이클에 보충되는 냉매가스의 압축을 위해 사용되는 것이다.
또한, 배출 공기 온도에 영향을 미치도록 공기조화된 입구 공기의 선택된 일부를 재가열하도록 구성된 서브가열기(210B)를 더 구비하였는데, 이는 종래 기술의 히터 코어에 대응하는 것으로 본 발명에 따른 폐열이용 제어의 효율이 극도로 저하된 경우에 사용되는 것이다.
이와 같은 구성과 특성을 갖는 본 발명에 따른 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치의 제어방식은 첨부한 도 2와 도 3에 도시되어 있듯이, 도 1의 증발기(230)는 도 2의 (1)번 온도 센서 또는 (3)번의 온습도 센서에 의하여 제어하고, 도 1의 재가열기(210A)는 도 2의 (2)번 온도 센서에 의하여 제어를 하며, 도 1의 서브가열기(210B)를 지난 공기의 온도(FAN Part) 또는 도 2의 (3)번 온습도 센서에 의한 온도 제어를 함에 있어 이를 PLC(program Logic Controller) 또는 DDC(Direct Digital Controller)제어 하게 된다.
또한, 도 3에 도시되어진 바와 같이, 상술한 제어방식에서 도 2의 (2)번 온도 센서에 의하여 도 1의 재가열기(210A)의 열원 제어는 도 1의 (A)또는 (B)밸브로 응축기(110)에 유입되는 냉매의 유량과 배출되는 냉매의 유량을 비례 제어하는 방안과, 도 1의 솔레노이드 밸브(220)의 다단 STEP VALVE 제어로 하는 방안으로 구현되는데, 상술한 두 방안을 연계하여 제어할 수도 있다.
따라서 종래방식에서 배출 공기 온도에 영향을 미치도록 공기조화된 입구 공기의 선택된 일부를 재가열하도록 구성된 히터 코어를 구비하지 않더라도 재가열기(210A)만으로도 기존방식의 히터 코어의 기능을 수행 할 수 있으며, 재가열정도 혹은 응축정도를 미세조절할 수 있어 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 가습기를 별도로 구비함으로써 습도의 조절을 용이하도록 하였다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
Claims (4)
- 입구 공기를 공기조화하기 위한 증발기와, 상기 증발기의 냉방 용량을 제어하도록 온/오프 사이클링을 이루는 응축기와, 상기 증발기와 응축기사이의 냉매 순환을 위한 도관과, 상기 도관을 통해 흐르는 냉매의 흐름경로를 제어하기 위한 밸브, 및 상기 도관 사이에 위치하며 상기 증발기와 응축기의 동작에 따라 발생되는 열중 여분의 열에너지를 축적하는 축열기와 압축기를 구비한 공기조화 시스템에 있어서:
상기 응축기는 다수의 냉매 응축수단을 구비하고 유입되는 냉매를 균등 분배받아 각각 응축 동작하되 각각의 냉매 응축수단의 후단에 제어신호에 의해 냉매 배출을 온오프하는 다수의 밸브를 구비함으로써 냉매 응축효율을 세밀 제어할 수 있도록 구성되며;
상기 축열기와 압축기의 동작과 증발기의 동작에 따라 배출되는 폐열의 정도에 따라 제어신호에 의해 배출 공기 온도에 영향을 미치도록 냉매의 팽창을 조절하기 위해 냉매를 재가열하도록 다수의 냉매 재가열 수단을 구비하고 유입되는 냉매를 균등 분배받아 각각 재가열 동작하되 각각의 냉매 재가열수단의 전단에 제어신호에 의해 냉매 배출을 온오프하는 다수의 밸브를 구비함으로써 냉매 가열효율을 세밀 제어할 수 있도록 구성된 재가열히터와;
상기 축열기와 압축기의 동작에 따라 배출되는 폐열을 상기 재가열히터측으로 공급하는 도관사이에 위치하며 상기 재가열히터측으로 전달되는 냉매의 량을 제어하는 다수의 솔레노이드 밸브와;
상기 응축기의 냉매 입출력 도관상에 각각 구비되어 비례제어 신호에 따라 개폐방향이 변경되도록 하는 3웨이 밸브와;
배출 공기 습도에 영향을 미치도록 공기조화된 입구 공기의 선택된 일부에 미세 물방울을 분포시키는 가습기; 및 폐열이용 제어의 효율이 극도로 저하된 경우에 배출 공기 온도에 영향을 미치도록 공기조화된 입구 공기의 선택된 일부를 재가열하도록 구성된 서브가열기를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 폐열 이용 고효율 클린룸 항온항습기 정밀제어를 위한 공조장치. - 삭제
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