帶有可編程orit閥的溫度控制系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】帶有可編程OR IT閥的溫度控制系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年7月12日提交的臨時申請N0.61/845,814和2014年7月9日提交的非臨時申請N0.14/327, 402的優(yōu)先權(quán)，并且上述申請的整體內(nèi)容通過引用合并于此。
【背景技術(shù)】
[0003]熱控制單元(TCU)，諸如加熱和冷卻系統(tǒng)被廣泛地用于在選定可變溫度下安置和保持加工工具或其他裝置?，F(xiàn)代熱控制單元或溫度控制單元的典型示例在高資本密集型半導(dǎo)體制造設(shè)備中被發(fā)現(xiàn)。對TCU強(qiáng)加嚴(yán)格的空間要求，以便盡可能節(jié)省昂貴的占地面積?？煽啃员仨毐槐ＷC，因為如果要獲得有利性能，要求的大資本設(shè)備成本不容許在操作中停機(jī)。對于不同的制造步驟，目標(biāo)溫度可以被改變，但必須被嚴(yán)格地保持，直到特定步驟被完成。在許多工業(yè)和普通家用制冷系統(tǒng)中，目的是將溫度降低到選定水平然后將溫度保持在并非高度精確的溫度范圍內(nèi)。因此，即使在這些商業(yè)系統(tǒng)中實現(xiàn)可靠的且長壽命的操作，該性能也不會達(dá)到高技術(shù)生產(chǎn)機(jī)械的需求。
[0004]在大部分現(xiàn)代TCU中，通過中間熱傳遞流體的使用來執(zhí)行工具或加工的實際溫度控制，其中在閉合循環(huán)中，中間熱傳遞流體從TCU被循環(huán)通過設(shè)備并且再次返回。熱傳遞流體被選擇，該熱傳遞流體在其最小操作壓力下在低于其沸騰溫度的期望的操作范圍內(nèi)穩(wěn)定。熱傳遞流體在其操作范圍內(nèi)也必須具有適合的黏度和流動特性。TCU本身應(yīng)用制冷劑(現(xiàn)在通常是生態(tài)環(huán)境可接受的類型)以提供保持選定溫度所需要的任何冷卻。TCU可以通過常規(guī)液相/汽相循環(huán)來循環(huán)制冷劑。在這種循環(huán)中，制冷劑首先在高壓力水平被壓縮為熱氣體，然后被冷凝為加壓液體。氣體通過與冷卻流體緊密熱接觸被傳遞而在冷凝器中被轉(zhuǎn)化為液體，其中冷卻流體是被周圍流體冷卻或直接被環(huán)境空氣冷卻的液體。然后，液態(tài)制冷劑通過經(jīng)過閥膨脹到選定壓力水平來降低溫度。這種膨脹通過蒸發(fā)一些液體來冷卻制冷劑，由此迫使液體在低飽和壓力下平衡。在這種膨脹式冷卻之后，制冷劑逐漸與熱傳遞流體進(jìn)行熱交換以冷卻所述熱傳遞流體，以便保持對象設(shè)備處于目標(biāo)溫度水平。然后，制冷劑以汽相返回到加壓階段。如果需要提升循環(huán)的熱傳遞流體的溫度，則加熱源通常必須根據(jù)需要被提供至熱傳遞流體。通常來說，電加熱器被布置以與循環(huán)的流體熱交換，并且根據(jù)需要為電加熱器供電。
[0005]這種T⑶已經(jīng)且正在與許多變體一起被非常廣泛地使用，并且在本領(lǐng)域中的發(fā)展對于大規(guī)模應(yīng)用具有降低的成本和提高的可靠性。例如，在大規(guī)模生產(chǎn)的制冷機(jī)中，預(yù)計成千上萬小時的操作和相對低成本的維護(hù)。然而，這種制冷系統(tǒng)很少能夠在寬溫度范圍內(nèi)操作，并且較低成本的版本通常使用氣流作為直接熱交換媒介用于制冷內(nèi)容。
[0006]用于工業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)代T⑶必須精確操作、通常要求在選定的溫度水平處小于±1攝氏度，并且在寬范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換到不同的水平(例如，對于特定安裝從-40攝氏度到+60攝氏度)。用于這種應(yīng)用的典型熱傳遞流體包括乙二醇和水的混合物(通常來說是去離子形式)或以商標(biāo)“Galden”或“Fluorinert”出售的專用全氟化流體。這些流體和其他流體已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)廣泛地用于這些高度可靠的變溫系統(tǒng)。然而，它們不具有高熱傳遞效率，特別是全氟化流體，并且需要對TCU強(qiáng)加一些設(shè)計需求。例如，栗送系統(tǒng)需要能量和空間，用于使熱傳遞流體循環(huán)通過熱交換器(HEX)和受控工具或其他設(shè)備。除了這些能量損耗因素之外，在熱交換中還存在能量損耗，因為傳遞熱需要溫度差，并且在將TCU耦接至受控設(shè)備的導(dǎo)管中或來自受控設(shè)備的導(dǎo)管中也遭遇損耗。因為待被冷卻的裝置周圍直接相關(guān)的空間非常珍貴，所以可以要求導(dǎo)管的實質(zhì)長度，這不僅引進(jìn)了能量損耗，還增加了穩(wěn)定加工工具的溫度所需要的時間?？傊琓CU的體積越大，越需要TCU遠(yuǎn)離受控裝置被定位。沿流動路徑的流體質(zhì)量需要時間和能量來補(bǔ)償它們引進(jìn)的損耗。受控裝置溫度的任何變化除了影響導(dǎo)管內(nèi)包含的熱傳遞流體之外，還必須影響連接TCU和受控裝置的導(dǎo)管。這是因為熱傳遞流體與導(dǎo)管壁緊密熱接觸。因此，在最接近受控裝置的導(dǎo)管末端處出現(xiàn)的流體在溫度基本上等于導(dǎo)管壁的溫度的情況下到達(dá)所述裝置，并且在受控裝置可能經(jīng)歷相似的溫度改變之前這些導(dǎo)管壁的溫度必須變化。
[0007]在這個意義上說，簡單的制冷系統(tǒng)過去可能在沒有分開的熱傳遞流體的情況下已經(jīng)應(yīng)用制冷劑，已經(jīng)考慮到在制冷循環(huán)期間應(yīng)用的相變阻止在循環(huán)之外的物理距離處直接使用制冷劑。常規(guī)制冷劑固有地依靠相變用于能量儲存和轉(zhuǎn)換，以便在制冷循環(huán)中的每點處還必須具有液相和汽相的適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)或混合，用于壓縮機(jī)和其他組件的穩(wěn)定和可靠操作。使用飽和流體諸如制冷劑直接與可變熱負(fù)載熱交換呈現(xiàn)出難以克服的系統(tǒng)問題。
[0008]背離傳統(tǒng)的兩相蒸汽循環(huán)的用于溫度控制的各種系統(tǒng)已經(jīng)被提出，包括發(fā)明人Kenneth ff.Cowans等人在美國專利N0.7，178，353和美國專利N0.7，415，835中描述的那些系統(tǒng)。這種背離是針對新穎的溫度控制系統(tǒng)，新穎的溫度控制系統(tǒng)將熱氣體加壓模式中的制冷劑流與膨脹的蒸汽/液體模式中相同的冷卻劑流結(jié)合。在封閉環(huán)路蒸汽循環(huán)制冷系統(tǒng)中，該系統(tǒng)將一些膨脹的冷卻劑流與適當(dāng)比例的加壓熱氣結(jié)合。當(dāng)生成的結(jié)合制冷劑流在熱交換器(HEX)中時，其可以直接與負(fù)載交換熱能。這種系統(tǒng)在提高熱傳遞效率和經(jīng)濟(jì)性方面提供顯著成效，并且能夠使溫度水平變化迅速且精確。由于這些系統(tǒng)不需要中間冷卻劑并且壓力可以迅速地變化，為了簡化有時將“直接傳遞飽和流體”稱為TDSF，這種方法為許多溫度控制應(yīng)用提供不同的操作和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。
[0009]已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給當(dāng)前受讓人的美國專利N0.7，415，835(其內(nèi)容通過引用全部合并于此)介紹一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)在能夠非?？斓臏囟茸兓憫?yīng)的情況下應(yīng)用液體和蒸汽的制冷劑混合物的高熱傳遞效率。該系統(tǒng)的優(yōu)點是其消除了對修正受控裝置處的溫度水平的大量延遲時間的需要，消除了對導(dǎo)管和熱交換器中大量能量損耗的需要和消除了在不同水平的目標(biāo)溫度之間轉(zhuǎn)換中對大量時間延遲的需要。
[0010]受限斜坡系統(tǒng)在其操作中應(yīng)用四種模式:傾斜上升、調(diào)節(jié)、等待和傾斜下降。在傾斜上升模式中，靜電吸盤從一個調(diào)節(jié)溫度被迅速加熱到較高溫度。在調(diào)節(jié)階段中，大量射頻(RF)能量在加工過程中被冷卻。在等待階段中，靜電吸盤被調(diào)節(jié)處于某一溫度，但是系統(tǒng)被喚醒以提供熱量。在傾斜下降模式中，靜電吸盤從一個調(diào)節(jié)溫度迅速冷卻到較低溫度。
[0011]Cowans等人的美國專利申請N0.13/651,631 (其全部內(nèi)容通過引用合并于此)討論了被用于制冷或熱交換的蒸汽循環(huán)系統(tǒng)的改進(jìn)，其可以通過修改常規(guī)蒸汽循環(huán)(圖2)而實現(xiàn)，其在壓縮冷凝制冷劑的膨脹之后包含附加熱交換步驟(圖3)。然后，該熱能互換在膨脹的制冷劑和來自蒸發(fā)器的回流之間進(jìn)行，并且伴隨著受控的壓力降，其引進(jìn)增強(qiáng)的后冷凝(EPC)。后冷凝降低傳遞到蒸發(fā)器的制冷劑的質(zhì)量水平(蒸汽質(zhì)量與總質(zhì)量的比)，并且提高在與負(fù)載能量交換期間的有效熱傳遞系數(shù)。這種手段增加了移動通過蒸發(fā)器的質(zhì)量的體積密度，并且降低了引進(jìn)的壓力降，從而最小化蒸發(fā)器內(nèi)低效率區(qū)域中的熱傳遞損耗。由壓力降裝置提供的受控壓力降引進(jìn)基本恒定的壓力差，以確保在期望最大加熱的那些時間期間沒有膨脹的蒸汽和液體流動。
[0012]膨脹的液體/蒸汽混合物在將加壓輸入饋送到蒸發(fā)器之前提供到兩相熱交換器的一側(cè)，熱交換器在已經(jīng)服務(wù)負(fù)載之后還接收從蒸發(fā)器傳遞來的輸出流。壓力降閥引進(jìn)兩相混合物中相同數(shù)量級的溫度降作為用于使用熱膨脹閥調(diào)節(jié)冷卻溫度的質(zhì)量過熱(masssuperheat) 0由此產(chǎn)生的溫度降驅(qū)動熱量從熱交換器中的一個流流入到另一流中。因此，通過在給定溫度控制單元中引進(jìn)相對小的熱交換器和壓力降裝置，實現(xiàn)總增益為h。這導(dǎo)致效率的凈增益。
[0013]應(yīng)用該原理的TDSF系統(tǒng)采用通過相對來說通常小于負(fù)載的增補(bǔ)熱交換器的流體流動，并且還采用壓力降閥以使溫度差可用于驅(qū)動所述增補(bǔ)熱交換器兩端的熱，以便引進(jìn)進(jìn)一步的冷凝。這種組合通過行動來獨特地影響TDSF系統(tǒng)操作，以限制和消除溫度變化的偏差并且增加系統(tǒng)效率?？梢酝ㄟ^精確地閥調(diào)節(jié)進(jìn)入混合物的熱氣體流來引進(jìn)溫度水平的小變化。
[0014]當(dāng)需要稍微較高的溫度和/或在低流量水平或低功率水平下操作時，情況不同，因為加壓熱氣體源呈現(xiàn)出更大潛力的能量輸入(與膨脹后冷凝的液體蒸汽輸入所呈