專利名稱:用于優(yōu)化和模擬熱管理系統(tǒng)及預測流量控制的系統(tǒng)和方法
技術領域:
本發(fā)明涉及熱管理系統(tǒng)。更具體地,本發(fā)明實施例涉及用于優(yōu)化 和模擬熱管理系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。再具體地,本發(fā)明的實施例涉及優(yōu) 化和模擬半導體制造工藝系統(tǒng)中熱管理子系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。
背景技術:
在半導體制造中,分配流體(dispense fluid )的溫度必須被高度 調(diào)節(jié)。通常,作為整個半導體制造系統(tǒng)一部分的熱管理子系統(tǒng)被用來 加熱或冷卻分配流體至所需溫度。通常的熱管理子系統(tǒng)包括分配流體 箱、泵、過濾器、熱交換器和流量控制器。在操作中,箱被填充以分 配流體。泵產(chǎn)生壓力差以使流體從箱移動到熱交換器。隨著分配流體 流過熱交換器,其溫度增加或降低。在通過熱交換器后,分配流體達 到目標溫度。
熱管理子系統(tǒng)的一個問題是確定使用的組件。 一般地,特定半導 體制造工藝將要求特定的流體在特定溫度被分配。分配流體的溫度基 于箱中流體的溫度和體積、泵所提供的熱、過濾器處的熱損耗或增益、
在熱交換器處傳遞的熱和循環(huán)流體量。對于許多半導體制造商來說,
在加熱或冷卻分配流體中特別重要的因素是流體達到分配溫度所用的
時間量減少將導致更大的產(chǎn)量。
通常,基于分配的流體的量和類型選擇箱容積、泵和過濾器。因 此,選擇適當?shù)臒峤粨Q器和通過熱交換器的冷卻/加熱流體的流量是優(yōu) 化熱管理子系統(tǒng)最重要的方面。熱管理子系統(tǒng)的供應商在實驗室中建 立子系統(tǒng)的原型,并根據(jù)經(jīng)驗確定哪個熱交換器滿足客戶的要求。這 對于供應商來說是成本高且耗時的過程。因為較大的熱交換器可以以
較大的工藝參數(shù)范圍工作,所以供應商通常選擇比所要求的更大的熱 交換器。這就減小了選擇熱交換器所要求的時間量,但導致了選擇比 熱管理子系統(tǒng)所需要的更大和更昂貴的熱交換器。因此,需要一種系 統(tǒng)來更好地優(yōu)化和選擇熱管理子系統(tǒng)的組件。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例提供了優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法,其消除或 至少顯著減少了現(xiàn)有技術的熱管理系統(tǒng)和方法的缺點。更特別地,本 發(fā)明的一個實施例包括一種優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的方法,包括接收熱管理 系統(tǒng)的一組初始工藝參數(shù),確定熱交換器入口溫度,基于這組初始工 藝參數(shù)確定熱交換器出口溫度,比較熱交換器出口溫度和目標溫度, 且如果熱交換器出口溫度已經(jīng)達到目標溫度,則確定分配流體到達目 標溫度所用的時間量。另一方面,如果熱交換器出口溫度還沒有達到 目標溫度,則該方法可進一步包括設定箱溫度等于熱交換器出口溫度。
本發(fā)明的另一實施例可包括(a)接收熱管理系統(tǒng)的一組初始工 藝參數(shù);(b)確定熱交換器入口溫度;(c)基于這組初始工藝參數(shù) 確定熱交換器出口溫度;和(d)比較熱交換器出口溫度和目標溫度。 該實施例可進一步包括如果熱交換器出口溫度已經(jīng)達到目標溫度則確 定分配流體達到目標溫度所用的時間量,或如果熱交換器出口溫度還 沒有達到目標溫度則設定箱溫度等于熱交換器出口溫度并重復步驟 (b) - (d)。
本發(fā)明的另 一 實施例可包括計算機程序產(chǎn)品,其包括一組存儲在 計算機可讀介質(zhì)中的計算機指令,其中該組計算機指令包括可執(zhí)行以 接收熱管理系統(tǒng)的一組初始工藝參數(shù)的指令,確定熱交換器入口溫度, 基于這組初始工藝參數(shù)確定熱交換器出口溫度,和比較熱交換器出口 溫度和目標溫度。如果熱交換器出口溫度已經(jīng)達到目標溫度,則指令 可被執(zhí)行以確定分配流體達到目標溫度所用的時間量。另一方面,如 果熱交換器出口溫度還沒有達到目標溫度,則指令可被執(zhí)行以設定箱 溫度等于熱交換器出口溫度。
本發(fā)明再一 實施例可包括一種方法,該方法包括接收一組包括加 熱/冷卻流體的第一流速的工藝參數(shù),基于該組工藝參數(shù)確定分配流體 達到目標溫度的時間量,確定加熱/冷卻流體的第二流速,在近似等于 分配流體達到目標溫度的時間量的第 一 時間段判定對應于第 一 流速的 第一設定點,并在第一時間段后的第二時間段判定對應于第二流速的 第二設定點。
本發(fā)明的再一 實施例可包括計算機程序產(chǎn)品,其包括一組存儲在 計算機可讀介質(zhì)上并可由處理器執(zhí)行的計算機指令,其中該組計算機 指令進一步包括可執(zhí)行以下操作的指令,即接收一組可以包括加熱/ 冷卻流體的第一流速的工藝參數(shù),基于該組工藝參數(shù)確定分配流體達 到目標溫度的時間量,確定加熱/冷卻流體的第二流速,在近似等于分 配流體達到目標溫度的時間量的第 一 時間段判定相應于第 一質(zhì)量流速 的第一設定點,在第一時間段后的第二時間段判定對應于第二流速的 第二設定點。
本發(fā)明的另 一實施例可包括計算機程序產(chǎn)品,其包括一組存儲在 計算機可讀介質(zhì)上的計算機指令,其中該組計算機指令包括可執(zhí)行以
執(zhí)行以下操作的指令提供進一步包括熱管理系統(tǒng)的形象表示的圖形 用戶界面,其中圖形用戶界面允許用戶輸入至少一個工藝參數(shù)和選擇 可從中推導出至少一個附加工藝參數(shù)的項;基于通過圖形用戶界面的
輸入確定一組初始工藝參數(shù),基于這組初始工藝參數(shù)確定熱交換器出 口溫度,和比較熱交換器出口溫度和目標溫度。如果熱交換器出口溫 度已經(jīng)達到目標溫度,則確定分配流體達到目標溫度所用的時間。
本發(fā)明的實施例通過減小按大小排列(size)熱交換器所需的時 間量而相對于現(xiàn)有技術中的系統(tǒng)和方法提供優(yōu)勢。
本發(fā)明的實施例通過允許為熱管理系統(tǒng)容易并快速地計算的多 個工藝參數(shù)而相對于現(xiàn)有技術的系統(tǒng)和方法提供另 一優(yōu)勢。
本發(fā)明的實施例通過提供預測流量控制而相對于現(xiàn)有技術的系 統(tǒng)提供另一優(yōu)勢。
通過結合附圖參考下面的描述,可以獲得對本發(fā)明及其優(yōu)點更完
全的理解,附圖中相似的附圖標記表示相似的特征,其中 圖l是熱管理系統(tǒng)的示意表示;
圖2A是表示按照本發(fā)明一個實施例的熱管理系統(tǒng)的用戶界面屏 幕的示意表示;
圖2B是表示按照本發(fā)明一個實施例的熱管理系統(tǒng)的另一用戶界 面屏幕的示意表示;
圖2C是輸出時間以達到目標溫度的用戶界面屏幕的示意表示; 圖3是流程圖,其示出優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的一個實施例; 圖4是計算機系統(tǒng)的一個實施例的示意表示;和 圖5是示出一個預測流量控制方法的流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的優(yōu)選實施例在附圖中示出,各圖中相似的數(shù)字用來表示 相似和相應的部件。
本發(fā)明的實施例提供用于優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明 的一個實施例可包括計算機程序產(chǎn)品,其包括可執(zhí)行以下操作的指令 接收一組包括流體參數(shù)和熱交換器參數(shù)的工藝參數(shù),和確定分配流體 達到目標溫度的時間。此外,指令可執(zhí)行以確定一組使到達目標溫度 的時間在預定極限以下的工藝參數(shù)。按照本發(fā)明的另一實施例, 一組 計算機指令可計算分配流體達到目標溫度所用的時間,用于加熱/冷卻 流體的預測流量控制。
圖1是熱管理系統(tǒng)100的示意表示。系統(tǒng)100可以是獨立系統(tǒng)或 更大系統(tǒng)—諸如半導體制造系統(tǒng)-的子系統(tǒng)。熱管理系統(tǒng)100可包 括箱102、泵104、過濾器106 (例如在線過濾器(inline filter)或本 領域公知的其它過濾器)、熱交換器108和流量控制器112。熱管理 系統(tǒng)100可包括連接多個部件的附加管線(piping)、分配流體到工 藝處理腔室(process chamber)或其它工藝處理工具的分配路徑114
和將流體從熱交換器108的出口循環(huán)到箱102的循環(huán)路徑116。流量 控制器112可控制到熱交換器108的加熱/冷卻流體的流量。
在操作中,分配流體可被添加到箱中。添加到箱中的分配流體將 具有溫度1\。泵104可將流體從箱102移動到熱交換器108,同時過 濾器106從分配流體過濾雜質(zhì)。流體將在通過泵104時獲得熱量(由 Qin表示),并在通過過濾器106時將失去熱量(如果流體溫度比環(huán)境 溫度高)或獲得熱量(如果流體溫度比環(huán)境溫度低)(由Q福表示)。 在熱交換器108,熱量將被轉移到冷卻流體或從加熱流體傳遞出。通 過流量控制器112,冷卻加熱流體被提供給熱交換器108。然后,所有 或部分分配流體可選地通過分配路徑114纟皮分配和/或經(jīng)循環(huán)路徑116 -故循環(huán)至箱102。
多種因素影響熱交換器的出口溫度(T。ut),且因此影響分配溫 度,包括例如分配流體的類型、分配流體的流速(mdisp)、箱中分配 流體的溫度、泵所添加的熱量、過濾器處的熱量損失、進入熱交換器 的分配流體的溫度(Tin)、加熱/冷卻流體的類型、加熱/冷卻流體的 輸入溫度(tin)、加熱/冷卻流體的速度(mheat)和所選熱交換器的類 型。按照本發(fā)明的一個實施例,計算機程序(對于該應用目的稱為"優(yōu) 化程序,,)可計算分配流體的熱交換器的出口溫度(T。ut),并確定T。ut 達到預定目標溫度所用的時間。如果T。ut達到預定目標溫度所用的時 間大于預定的目標時間,則按照一個實施例,優(yōu)化程序可以選擇性地 改變工藝參數(shù)以確定一組工藝參數(shù),其中在該組工藝參數(shù)下,T。w在 目標時間內(nèi)達到目標溫度。
圖2A示出用于輸入一組初始工藝參數(shù)的圖形用戶界面200的屏 幕的一個實施例。如圖2A所示,用戶界面200可包括被模擬的熱管 理系統(tǒng)的形象表示,包括箱、泵、過濾器和熱交換器的形象表示。用 戶界面200可允許用戶輸入各種工藝參數(shù)。例如,用戶可輸入分配流 體的入口溫度(入口溫度框202)、分配流體的體積(箱容積框204)、 來自泵的熱分配(熱分配框206)、過濾器外殼體積(過濾器外殼體 積框208)、加熱/冷卻流體的流速(殼體(shell)流速框210)、分 配體積(分配體積框212 )和目標溫度(目標溫度框214 )。此外,用 戶可進入界面中另 一屏幕以輸入熱交換器參數(shù)(例如通過選擇熱交換 器參數(shù)按鈕216)。
圖2B是熱交換器參數(shù)界面218屏幕的一個實施例的示意表示, 其中當用戶"點擊,,熱交換器參數(shù)按鈕216時可進入該屏幕。對于圖2B 的例子,假定熱交換器是管殼式熱交換器(shell and tube heat exchanger)。然而,應該理解,其它類型的熱交換器也可使用。通過 熱交換器參數(shù)界面216,用戶可指定熱交換器的操作模式,諸如并行 或逆流(例如,操作模式下拉菜單222),和熱交換器(熱交換器下 拉菜單224)。在所示的例子中,用戶已經(jīng)選擇管直徑為5.72厘米且 長度為0.305米的熱交換器。基于該輸入,優(yōu)化程序可以例如訪問熱 交換器的數(shù)據(jù)庫或列表,以確定所選擇的熱交換器的熱傳遞表面積為 0.88 m2,具有680根管,管內(nèi)徑或與所選熱交換器相關聯(lián)的其它特性。 用戶也可指定加熱/冷卻流體的入口溫度(tin)(入口溫度框225)。 此外,在這個熱交換器參數(shù)界面218的實施例中,用戶在區(qū)段226中 可指定分配流體(管側)和加熱冷卻流體(殼體側)的各種特性,諸 如粘度、比重、比熱和傳導率。在本發(fā)明的另一實施例中,用戶可僅 僅選擇流體,而優(yōu)化程序可從流體特性的數(shù)據(jù)庫中確定流體特性。
圖2A和2B中給出的屏幕是以例子的形式給出的,且也可實現(xiàn) 其它用戶界面。此外,圖2A和2B中所指定的參數(shù)組也是以例子的形 式給出的。用戶界面可允許用戶指定可允許計算達到目標溫度的時間 的任何一組初始工藝參數(shù)。例如,用戶界面可給出選項來指定管線的 類型和長度、各個部件的熱增益或熱損耗、或其它影響被模擬熱管理 系統(tǒng)的熱傳遞的參數(shù)。優(yōu)化程序可對這組初始工藝參數(shù)應用公知的熱 傳遞方程,以確定分配流體達到目標溫度需要多長時間。
圖2C按照本發(fā)明一個實施例示出具有用于圖2A和2B的例子中 所示的工藝參數(shù)的一組輸出的用戶界面的一個實施例。在圖2C的情 形中,借助所指定的輸入,達到目標溫度40。C的初始時間是4.19分鐘 (框232)。在該情形中,優(yōu)化程序可考慮泵的熱分配和外殼的容積。
一旦分配流體達到目標溫度,就可以以流過熱交換器殼體的流量為
0.00471pm (框234)而保持目標溫度。對于每次迭代,該流量補償?shù)?環(huán)境的熱損耗??梢杂嬎愕钠渌蛩匕ㄔ诜峙浜筮_到目標溫度的時 間(框236)、分配后的翻轉(turn over)(框238)、箱溫度(框 240)、分配后的總容量交換(框242)和來自環(huán)境的熱損耗或增益(框 244)。
本發(fā)明的實施例因此提供熱管理系統(tǒng)的形象模擬,并允許通過選 擇各種工藝參數(shù)和/或裝置來優(yōu)化系統(tǒng)??赏ㄟ^用戶界面所提供的下拉 式菜單、框或其它輸入機構選擇工藝參數(shù)或可從中得到工藝參數(shù)的項, 諸如特定熱交換器。因此,用戶界面允許用戶輸入工藝參數(shù)并選擇可 從中導出工藝參數(shù)的項。此外,用戶界面提供特定模擬或優(yōu)化結果的 可視輸出。應該指出,圖2A、 2B和2C中所示出的用戶界面僅以例 子的形式給出。
圖3是流程圖,其示出優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的方法的一個實施例。圖 3的處理可以例如被實現(xiàn)為一組被存儲在計算機可讀介質(zhì)上并可由處 理器執(zhí)行的計算機指令(為簡單起見稱為"優(yōu)化程序")。優(yōu)化程序可 在計算機或其它計算裝置上運行,以模擬熱管理系統(tǒng),諸如圖l中所 示的。為了例示,將根據(jù)優(yōu)化熱交換器來討論圖3的方法,但也可以 優(yōu)化其它參數(shù)。
在步驟310,可輸入被模擬的熱管理系統(tǒng)的初始工藝參數(shù)。初始 工藝參數(shù)可包括用于確定熱管理系統(tǒng)的熱交換器出口溫度的任何參 數(shù)。這些可包括例如箱參數(shù)、泵參數(shù)、過濾器參^:、分配流體參數(shù)、 分配體積和循環(huán)流速。泵參數(shù)可包括用來確定當分配流體流經(jīng)泵時添 加到分配流體的容量的參數(shù)。對于許多泵,這可能是已知的,或可能 對于給定流速是已知的。因此,泵參數(shù)可僅僅包括例如來自泵的熱量 分配(即,到分配流體的熱量分配)。過濾器參數(shù)可包括確定多少熱 量從過濾器損失的參數(shù)。對于在線過濾器,例如,熱損耗的量取決于 過濾器外殼的容積。因此,過濾器參數(shù)可包括過濾器外殼的容積。為 過濾器指定的其它參數(shù)可包括例如過濾器外殼材料或與過濾器處熱量
損耗量相關的任何其它參數(shù)。流量控制器參數(shù)可包括例如加熱/冷卻流 體的類型、加熱/冷卻流體的入口參數(shù)和加熱/冷卻流體的流速。
此外,用戶可輸入一組熱交換參數(shù)。例如,熱交換器參數(shù)可包括 熱交換器的操作模式(例如逆流或并行)、熱交換器的尺寸(例如, 管直徑和熱交換器長度)、分配流體和加熱/冷卻流體的傳導率、分配 流體和加熱/冷卻流體的比重、分配流體和加熱/冷卻流體的粘度。前 述熱交換器參數(shù)是以例子的形式給出的,且應該理解,熱交換器參數(shù) 可包括任何用來確定被模擬的熱交換器的總熱傳遞系數(shù)的參數(shù)。
應該指出,可得到多個輸入?yún)?shù)。例如,用戶可在圖形用戶界面 中從下拉菜單選擇泵和過濾器。通過選擇特定型號的泵或過濾器,計 算機指令可從數(shù)據(jù)庫中確定適當?shù)谋煤瓦^濾器參數(shù)。類似地,可以為 用戶提供選擇特定熱交換器的選項?;谒x擇的熱交換器,優(yōu)化程
序可從數(shù)據(jù)庫中確定適當?shù)臒峤粨Q器參數(shù)。上面結合圖2A和2B討論 了輸入工藝參數(shù)的示例性界面。
在步驟315,可確定分配流體的混合溫度。對于第一次迭代,混 合溫度等于箱入口溫度。按照本發(fā)明的一個實施例,對于第一次迭代, 箱的混合溫度(Ttank)可以等于箱入口溫度(例如在圖2A的入口溫 度框202所指定的溫度)(例如Ttank-Tj 。然后,在步驟320,優(yōu) 化程序可確定熱交換器處分配流體的入口溫度(Tin)。按照本發(fā)明的 一個實施例,優(yōu)化程序可設定入口溫度等于混合溫度。按照本發(fā)明的 另一實施例,優(yōu)化程序可在確定Tin時考慮來自泵和過濾器的熱損耗 或增益。例如,這可以利用公知的熱傳遞方程實現(xiàn),諸如
Qin-Q。ut=mdispCp(disp)(Tin-Ttank) ■■(方程1 )
Qin-從泵進入的熱量; Q。u,從過濾器散出的熱量; mdisp =分配流體的質(zhì)量流速; Cp(d—)-分配流體的比熱。
應該指出,方程l是作為例子給出的,并且本領域公知的其它熱 傳遞方程可用來確定箱的Tin。
在步驟323,優(yōu)化程序可按照本領域公知的任何熱傳遞方法計算
熱交換器的總熱傳遞系數(shù)。按照一個實施例,熱交換器的總熱傳遞系
數(shù)基于分配流體和加熱/冷卻流體的特性和速度以及熱交換器的特性。
例如,可基于下式計算總熱交換器系數(shù)(Uo):
1
^ & 、4 (方程2) 其中
r。是熱交換器管的外徑
ri是熱交換器管的內(nèi)徑
A。是熱交換器管的外表面積
Aj是熱交換器管的內(nèi)面積
k是熱交換器管的傳導率
hheat是加熱/冷卻流體的熱傳遞系數(shù)
hdisp是分配流體的熱傳遞系數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,優(yōu)化程序可基于用戶所提供的分配流 體和加熱/冷卻流體特性、由流量控制器所提供的加熱/冷卻流體的流 速、以及分配流體和加熱/冷卻流體的比重、粘度、比熱和傳導率確定
hheat和hdisp (例如循環(huán)流速)。例如,hheat和hdisp可從查詢表確定或
可按照本領域公知的任何方法確定。此外,優(yōu)化程序可基于用戶所選
擇的熱交換器確定r。, ri, A。, Aj和k。按照本發(fā)明的另一實施例,優(yōu) 化程序可假定熱交換器是薄膜熱交換器(即,具有薄的管壁),以便 按照下式計算總熱傳遞系數(shù)
、^ (方程3) 在上面的例子中,U。被計算而沒有考慮污垢熱阻、鰭片熱阻(fin resistance)或多程流量通道(multipass flow channel)。按照本發(fā)明 其它實施例,優(yōu)化程序可計算U。以考慮污垢、鰭片、多程流量通道或
本領域技術人員所理解的其它影響總熱傳遞系數(shù)的因子。
基于熱交換器的總熱傳遞系數(shù)、熱交換器入口處分配流體溫度
(Tin)、分配流體質(zhì)量流速(mdisp)、分配流體的比熱(Cp(dis))、加
熱/冷卻流體的入口溫度(tin)、加熱/冷卻流體的比熱(Cp(heat))和加
熱/冷卻流體的質(zhì)量流速(mheat),優(yōu)化程序在步驟330可按照本領域 中公知的熱傳遞方程計算熱交換器出口處分配流體溫度(T。ut)。例 如,基于下面的公知關系式,優(yōu)化程序可確定T福
流體的質(zhì)量流速和比熱可從用戶所提供的流體特性確定、從數(shù)據(jù) 庫加載或以其它方式確定。U。是總熱傳遞系數(shù)。Y是可基于所選擇的 熱交換器確定的多程校正因子。方程4表示傳遞到分配流體/從分配流 體傳出的總熱量(Qdisp),方程5表示傳遞到加熱/冷卻流體/從加熱/ 冷卻流體傳出的總熱量(Qheat),方程6表示熱交換器中流體之間傳 遞的總熱量,而方程7表示方程6中所用的對數(shù)平均溫度差。按照本
發(fā)明的一個實施例,Qdisp可近似等于Qheat,而Qheat可近似等于Qex。
根據(jù)方程4、方程5和方程6,優(yōu)化程序可利用本領域公知的數(shù)值方法
求解T。ut和t。ut。按照本發(fā)明的另一實施例,如果Qdisp和Qheat稍微不
同,則熱交換器傳遞可被設定為等于熱傳遞的平均速率 2"=備(2鄉(xiāng)+2,,加)
而且,在該情形中,在方程4、方程5、方程6和方程8中,僅 有兩個未知數(shù),T。ut和t。ut。因此,優(yōu)化程序可求解這些變量以確定熱 交換器出口處的分配流體溫度(T。ut)。應該注意,上面的方程是作 為例子給出的,且本領域公知的熱傳遞方法可用來確定T。w。
在步驟335,優(yōu)化程序可確定分配流體是否已經(jīng)達到分配溫度。
(方程4 ) (方程5 ) (方程6 )
(方程7 )
(方程8 ) 在分配流體冷卻的情形中,優(yōu)化程序可確定T。ut是等于還是小于分配 溫度。對于分配流體加熱,優(yōu)化程序可確定T福是等于還是大于分配 溫度。如果T。ut還沒有達到分配溫度,則優(yōu)化程序可考慮迭代并返回 到步驟315,設定Tt肌k為T。ut (步驟340)。將用于迭代的箱混合溫 度設定為來自前一迭代的T。ut實際上就假設箱在流體被循環(huán)路徑置換 前被排空。在該情形中,不管迭代多長,都采用分配流體的容積來循 環(huán)通過熱交換器。例如,如果分配流體的流速為71pm,且有20升分 配流體,則迭代需要約2.86分鐘。
雖然在實用中,從熱交換器循環(huán)的分配流體可與箱中剩余的分配 流體混合,但假設箱在每次迭代中排空就顯著簡化了優(yōu)化程序在假設 對于每次迭代輸入到熱交換器中的分配流體的溫度對于該迭代是恒定 的時必須執(zhí)行的計算。這允許優(yōu)化程序采用較少的計算資源。按照其
它實施例,優(yōu)化程序可不斷更新熱交換器處的輸入溫度,以考慮循環(huán) 流體和箱中流體的混合。
如果在步驟335,優(yōu)化程序確定T。ut已經(jīng)達到目標溫度,則優(yōu)化
程序在步驟345可考慮迭代,并計算T。ut達到目標溫度所用的時間。
作為例子,假設循環(huán)流速為7 lpm,箱容積為20升且目標溫度為40
攝氏度。在該情形中,每次迭代需要2.86分鐘。如果在第一次迭代后
T。w為36.09攝氏度,則下一次迭代的輸入(Tin)可以是36.09攝氏度
(為了簡單,這假設進出泵和過濾器的熱量可忽略),且輸出溫度T。ut
可以是47.87攝氏度。因為T。ut大于目標溫度,所以達到目標溫度的
時間大于2.86分鐘(20升達到36.09攝氏度的時間),且小于5.72
分鐘(20升達到47.87攝氏度的時間)。優(yōu)化程序可通過插值法、曲
線擬合或其它本領域公知的數(shù)值方法確定達到40度的時間。
除了計算分配流體達到目標溫度所用的時間之外,優(yōu)化程序還可 以計算其它工藝輸出。例如,優(yōu)化程序可確定維持目標溫度的經(jīng)過殼
體的流速(m^t)??苫诜匠?、 5、 6和7計算經(jīng)過殼體的流速。 在該情形中,T福是已知的(例如40攝氏度),因此未知數(shù)僅是mheat 和t。w。因此,優(yōu)化程序可求解
此外,優(yōu)化程序可確定在分配后,分配流體要用多長時間來恢復
到目標溫度。在該情形中,優(yōu)化程序可返回到步驟315,并基于前一 次迭代的T福和來自箱的分配流體的入口溫度(1\)計算混合溫度 (Ttank)。然后,優(yōu)化程序可重復步驟315-345,以確定分配流體在 分配后要用多長時間達到目標溫度。優(yōu)化程序也可確定其它工藝參數(shù), 諸如為了維持分配流體在特定溫度的經(jīng)殼體的流速、在分配工藝后交
換的總熱量、來自環(huán)境的總熱損耗或增益。
如上面所述,圖2C示出由優(yōu)化程序所提供的幾個輸出。在該情 形中,優(yōu)化程序顯示達到目標溫度的時間。如果該時間大于目標時間, 則用戶可以選擇性地改變工藝參數(shù),直到達到目標溫度的時間小于目 標時間。例如,用戶可選擇新的熱交換器、新的Tp新的tin、新的
新的
加heat、 或其它工藝參數(shù)。
在另一實施例中,在步驟348,優(yōu)化程序可確定達到目標溫度的 時間是否大于目標時間。如果是,則優(yōu)化程序可改變一個或更多工藝 參數(shù)(步驟350),直到達到目標溫度的時間小于預定極限。例如, 優(yōu)化程序可改變經(jīng)殼體的流速、所選的熱交換器、過濾器外殼容積、 來自泵的熱分配、箱溫度、熱交換器入口處加熱/冷卻流體的溫度、或 其它參數(shù),直到一組工藝參數(shù)使達到目標溫度的時間在目標時間范圍 內(nèi)。通常,優(yōu)化程序不改變分配流體、分配體積或目標溫度,因為它 們對于被模擬的特定分配工藝一般是恒定的(例如,客戶要求)。然 而,按照本發(fā)明的其它實施例,優(yōu)化程序可改變?nèi)魏喂に噮?shù)。然后, 優(yōu)化程序可輸出導致在目標時間內(nèi)達到目標溫度的工藝參數(shù)(步驟 355)。圖3的過程可按需要或要求任意重復。
按照本發(fā)明的另一實施例,優(yōu)化程序可在計算機系統(tǒng)中實現(xiàn)。圖 4是其中可實現(xiàn)優(yōu)化程序的一個實施例的計算機系統(tǒng)400的一個實施 例。計算機系統(tǒng)400可包括處理器402、主存儲器404 (例如,RAM, ROM,閃存或本領域公知的其它計算機可讀介質(zhì))、輔助存儲器406 (光盤,磁盤或本領域公知的其它計算機可讀介質(zhì))、輔助存儲器控 制器408、網(wǎng)絡接口 410和網(wǎng)絡控制器411。處理器402可經(jīng)總線412
與計算機系統(tǒng)400的各元件通信。沒有示出的其它元件包括例如I/O 接口、附加網(wǎng)絡接口和控制器、輸入裝置、輸出裝置和本領域公知的 其它計算機元件,但不局限于此。例如,計算機系統(tǒng)400可以是用于 模擬熱管理系統(tǒng)的臺式個人計算機或工作站,但不局限于此。
優(yōu)化程序420可被存儲在輔助存儲器406上。輔助存儲器控制器 408可控制對輔助存儲器406的存取。在執(zhí)行過程中,所有或部分優(yōu) 化程序可被存儲在主存儲器404中。輔助存儲器406也可存儲一組數(shù) 據(jù)422,其使優(yōu)化程序的一部分或可被優(yōu)化程序存取。數(shù)據(jù)組422可 包括例如用于各種熱交換器的熱交換器數(shù)據(jù)、與流體特性相關的數(shù)據(jù) 和優(yōu)化程序420可用的其他數(shù)據(jù)。優(yōu)化程序420可被實現(xiàn)為可執(zhí)行的 Visual Basic程序、C十+程序、較大程序的才莫塊、或按照本領域7>知的 任何其它編程方案實現(xiàn)。
在上面的例子中,優(yōu)化程序確定對于給定的一組參數(shù)分配流體達 到目標溫度的時間量以及導致分配流體在目標時間內(nèi)達到目標溫度的 一組工藝參數(shù)。優(yōu)化程序可以例如在用于模擬熱管理系統(tǒng)的計算機上 運行且不必與熱管理系統(tǒng)交互作用。換句話說,優(yōu)化程序可用于模擬 和設計熱管理系統(tǒng)。按照本發(fā)明的另一實施例, 一組計算機指令(例 如"流量控制程序,,)可以在流量控制器(例如圖1的流量控制器112) 或可操作地判定流量控制器的設定點的裝置處被執(zhí)行。流量控制程序 可使用如上所述的分配流體達到目標溫度的時間量的確定來確定何時 減小加熱/冷卻流體的流量。
圖5是流程圖,其示出預測流量控制方法的一個實施例。在步驟 502,流量控制程序可接收一組熱管理系統(tǒng)工藝參數(shù)。這些工藝參數(shù)可 通過圖形用戶界面被提供,如上所述,被加載到存儲器或按照本領域 公知的任何提供數(shù)據(jù)的方式提供。在步驟504,流量控制程序可確定 分配流體達到指定的目標溫度的時間量、將分配流體維持在目標溫度 的加熱/冷卻流體流速(例如維持流量)、和分配后的恢復時間,如結 合圖3所描述的那樣。使用圖2C的例子,對于給定的工藝參數(shù),需 要4.19分鐘達到目標溫度。
在步驟505 ,流量控制程序可基于初始工藝參數(shù)判定第 一設定點。 例如,如果初始工藝參數(shù)規(guī)定加熱冷卻流體的流速為21pm (如圖2B 所示),則對于分配流體達到目標溫度的時間(例如,圖2C的例子 中為4.19分鐘),流量控制程序可為流量控制器判定設定點以允許加 熱/冷卻流體的流速為2 lpm。在所確定的分配流體達到目標溫度的時 間附近,流量控制程序可為流量控制器判定第二設定點(步驟506) 以使流量控制器允許將分配流體維持在目標溫度的加熱/冷卻流體的 流量(例如圖2C的情形中為0.0047 lpm)。因此,流量控制程序可 為近似等于分配流體達到目標溫度的時間量的第 一 時間段判定第 一設 定點,并為第二時間段判定第二流速。
在步驟508,流量控制程序可接收表示分配處理已經(jīng)發(fā)生的指示。 在步驟510,流量控制程序可再次判定第一設定點以增加加熱/冷卻流 體的流量,以便將分配流體加熱/冷卻至目標溫度。在圖2C的情形中, 第一設定點可對應于2 lpm的流量。流量控制程序可為從分配處理恢 復所用的時間量重新判定第一設定點。當已經(jīng)達到從分配處理恢復所 用的時間時,在步驟512,流量控制程序可重新判定對應于將分配流 體保持在目標溫度的加熱/冷卻流體流量(例如在圖2C的情形中為 0.0047 lpm )的第二設定點。因此,流量控制程序可為第三時間段(例 如近似等于恢復時間)重新判定第一設定點,且然后重新判定第二設 定點。
在本發(fā)明的一個實施例中,在為流量控制器判定設定點時,流量 控制程序可依靠達到目標溫度的時間的計算、維持流速和從分配恢復 的時間,而無須要求來自溫度傳感器的輸入。換句話說,流量控制程 序可以以預測方式動作,從而控制經(jīng)熱管理系統(tǒng)的流量。按照本發(fā)明 的其它實施例,流量控制程序可接收來自溫度傳感器的輸入以確定熱 交換器出口處分配流體的溫度,并可基于溫度讀數(shù)調(diào)整判定的設定點。 使用溫度傳感器來確定T。ut可以被用來確保預測流量控制對于熱管理 子系統(tǒng)保持正確的校準。
雖然已經(jīng)參考特定實施例描述了本發(fā)明,但是應該理解,這些實
施例是說明性的,且本發(fā)明的范圍不局限于這些實施例。對上述實施 例可以進行許多變化、修改、增補和改進。這些變化、修改、增補和 改進在如權利要求所詳細描述的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種模擬熱管理系統(tǒng)的方法,包括基于圖形用戶界面中的輸入,接收所述熱管理系統(tǒng)的一組初始工藝參數(shù);確定熱交換器入口溫度;基于所述一組初始工藝參數(shù)確定熱交換器出口溫度;以及比較所述熱交換器出口溫度與目標溫度;如果所述熱交換器出口溫度已經(jīng)達到所述目標溫度,則確定分配流體達到所述目標溫度所用的時間量。
2. 如權利要求l所述的方法,進一步包括 如果所述熱交換器出口溫度還沒有達到所述目標溫度,則設定箱溫度等于所述熱交換器出口溫度。
3. 如權利要求l所述的方法,進一步包括 比較分配流體達到所述目標溫度所用的時間量與目標時間; 如果分配流體達到目標溫度所用的時間量超過所述目標時間,則選擇一組新的初始工藝參數(shù);否則,在圖形用戶界面中輸出分配流體達到所述目標溫度所用的 時間量。
4. 如權利要求3所述的方法,其中所述一組初始工藝參數(shù)包括 一組對應于熱交換器的熱交換器參數(shù)。
5. 如權利要求4所述的方法,其中選擇一組新的初始工藝參數(shù) 包括選擇一組新的熱交換器參數(shù)。
6. 如權利要求l所述的方法,其中所述一組初始工藝參數(shù)包括 一組熱交換器參數(shù);一組分配流體參數(shù); 一組加熱/冷卻流體參數(shù);和 所述目標溫度。
7. 如權利要求5所述的方法,其中所述一組初始工藝參數(shù)進一 步包括分配流體流速;和 加熱/冷卻流體流速。
8. 如權利要求6所述的方法,其中所述一組初始工藝參數(shù)進一 步包括泵參數(shù);和 過濾器參數(shù)。
9. 如權利要求l所述的方法,進一步包括確定維持流速。
10. 如權利要求l所述的方法,進一步包括確定分配后的恢復時間。
11. 如權利要求l所述的方法,其中圖形用戶界面包括被模擬的 熱管理子系統(tǒng)的形象表示。
12. 如權利要求11所述的方法,其中所述形象表示進一步包括 箱的表示;泵的表示; 過濾器的表示;和 熱交換器的表示。
13. 如權利要求12所述的方法,進一步包括利用圖形用戶界面 選擇從中導出至少一個工藝參數(shù)的至少一個項。
14. 如權利要求12所述的方法,利用圖形用戶界面輸入至少一 個工藝參數(shù)。
15. —種模擬熱管理系統(tǒng)的方法,包括(a) 基于用戶界面的輸入,接收熱管理系統(tǒng)的一組初始工藝參數(shù);(b) 確定熱交換器入口溫度;(c) 基于所述一組初始工藝參數(shù)確定熱交換器出口溫度;和(d) 比較所述熱交換器出口溫度與目標溫度; 如果所述熱交換器出口溫度已經(jīng)達到所述目標溫度,則確定分配流體達到所述目標溫度的時間量, 如果所述熱交換器出口溫度還沒有達到所述目標溫度,則設定箱溫度等于所述熱交換器出口溫度并重復步驟(b) - (d)。
16. 如權利要求15所述的方法,進一步包括(e)比較分配流體達到所述目標溫度所用的時間量與目標時間; 如果分配流體達到目標溫度所用的時間量超過所述目標時間,則 選擇一組新的初始工藝參數(shù)并重復步驟(b) 一 (e);否則,在用戶界面中輸出分配流體達到所述目標溫度所用的時間
17. 如權利要求16所述的方法,其中所述一組初始工藝參數(shù)包 括一組對應于熱交換器的熱交換器參數(shù)。
18. 如權利要求17所述的方法,其中選擇一組新的初始工藝參 數(shù)包括選擇一組新的熱交換器參數(shù)。
19. 如權利要求15所述的方法,其中所述一組初始工藝參數(shù)包括一組熱交換器參數(shù); 一組分配流體參數(shù); 一組加熱/冷卻流體參數(shù);和 所述目標溫度。
20. 如權利要求19所述的方法,其中所述一組初始工藝參數(shù)進 一步包括分配流體流速;和 加熱/冷卻流體流速。
21. 如權利要求20所述的方法,其中所述一組初始工藝參數(shù)進 一步包括泵參數(shù);和 過濾器參數(shù)。
22. 如權利要求15所述的方法,進一步包括確定維持流速。
23. 如權利要求15所述的方法,進一步包括確定分配后的恢復時間。
24. 如權利要求15所述的方法,其中用戶界面包括被模擬的熱 管理子系統(tǒng)的形象表示。
25. 如權利要求24所述的方法,其中所述形象表示進一步包括箱的表示; 泵的束示; 過濾器的表示;和 熱交換器的表示;
26. 如權利要求25所述的方法,進一步包括利用用戶界面選擇 從中導出至少一個工藝參數(shù)的至少一個項。
27. 如權利要求26所述的方法,進一步包括利用用戶界面輸入 至少一個工藝參數(shù)。
28. —種計算機程序產(chǎn)品,包括一組存儲在計算機可讀介質(zhì)上的 計算機指令,其中所述一組計算機指令包括用于以下操作的可執(zhí)行指 令接收用于熱管理系統(tǒng)的一組初始工藝參數(shù); 確定熱交換器入口溫度;基于所述一組初始工藝參數(shù)確定熱交換器出口溫度;以及 比較所述熱交換器出口溫度和目標溫度; 如果所述熱交換器出口溫度已經(jīng)達到所述目標溫度,則確定分配 流體達到所述目標溫度所用的時間量。
29. 如權利要求28所述的計算機程序,進一步包括用于以下操 作的可執(zhí)行指令如果所述熱交換器出口溫度還沒有達到所述目標溫度,則設定箱 溫度等于所述熱交換器出口溫度。
30. 如權利要求28所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于以 下操作的可執(zhí)行指令比較分配流體達到所述目標溫度所用的時間量與目標時間; 如果分配流體達到目標溫度所用的時間量超過所述目標時間,則 選擇一組新的初始工藝參數(shù); 否則,輸出分配流體達到所述目標溫度所用的時間量。
31. 如權利要求30所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述一組初始 工藝參數(shù)包括一組對應于熱交換器的熱交換器參數(shù)。
32. 如權利要求31所述的計算機程序產(chǎn)品,其中選擇一組新的 初始工藝參數(shù)包括選擇一組新的熱交換器參數(shù)。
33. 如權利要求28所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述一組工藝 參數(shù)包括一組熱交換器參數(shù); 一組分配流體參數(shù); 一組加熱/冷卻流體參數(shù);以及 所述目標溫度。
34. 如權利要求33所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述一組初始 工藝參數(shù)進一步包括分配流體流速;以及 加熱/冷卻流體流速。
35. 如權利要求33所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述一組初始 工藝參數(shù)進一步包括泵參數(shù);和 過濾器參數(shù)。
36. 如權利要求28所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于維 持流速的可執(zhí)行指令。
37. 如權利要求28所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于確 定分配后恢復時間的可執(zhí)行指令。
38. —種計算機程序產(chǎn)品,包括一組存儲在計算機可讀介質(zhì)上的 計算機指令,其中所述一組計算機指令包括用于執(zhí)行以下操作的可執(zhí) 行指令提供進一步包括熱管理系統(tǒng)的形象表示的圖形用戶界面,其中所述圖形用戶界面允許用戶輸入至少一個工藝參數(shù)和選擇從中導出至少 一個附加工藝參數(shù)的項; 基于通過所述圖形用戶界面的輸入確定一組初始工藝參數(shù); 基于所述一組初始工藝參數(shù)確定熱交換器出口溫度;和 比較所述熱交換器出口溫度與目標溫度; 如果所述熱交換器出口溫度已經(jīng)達到所述目標溫度,則確定分配 流體達到所述目標溫度所用的時間量。
39. 如權利要求38所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于在 所述圖形用戶界面中輸出分配流體達到所述目標溫度所用的時間量的 可執(zhí)行指令。
40. 如權利要求38所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于以 下操作的可執(zhí)行指令如果所述熱交換器出口溫度還沒有達到所述目標溫度,則設定箱 溫度等于所述熱交換器出口溫度。
41. 如權利要求38所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于以 下操作的可執(zhí)行指令比較分配流體達到所述目標溫度所用的時間量與目標時間; 如果分配流體達到目標溫度所用的時間超過所述目標時間,則選擇一組新的初始工藝參數(shù);否則在圖形用戶界面中輸出分配流體達到所述目標溫度所用的時間量。
42. 如權利要求38所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述圖形用戶 界面允許用戶選擇熱交換器。
43. 如權利要求38所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述圖形用戶 界面允許用戶指定一組分配流體參數(shù); 一纟且加熱/冷卻流體參數(shù);和 所述目標溫度。
44. 如權利要求43所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述圖形用戶 界面允許用戶指定分配流體流速;以及 加熱/冷卻流體流速。
45. 如權利要求43所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述圖形用戶 界面允許用戶指定至少一個泵參數(shù);和 至少一個過濾器參數(shù)。
46. 如權利要求38所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于確 定維持流速和在圖形用戶界面中輸出所述維持流速的可執(zhí)行指令。
47. 如權利要求38所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于確 定分配后恢復時間和在圖形用戶界面中輸出所述恢復時間的可執(zhí)行指 令。
48. —種控制流量的方法,包^^舌接收一組工藝參數(shù),其中所述一組工藝參數(shù)包括加熱/冷卻流體 的第一流速;基于所述 一 組工藝參數(shù)確定分配流體達到目標溫度所用的時間量;為加熱/冷卻流體確定第二流速;為近似等于分配流體達到所述目標溫度所用的時間量的第 一時 間段判定對應于所述第 一流速的第 一設定點;為所述第 一 時間段后的第二時間段判定對應于所述第二流速的 第二設定點。
49. 如權利要求48所述的方法,進一步包括 確定恢復時間段。
50. 如權利要求49所述的方法,進一步包括 接收分配已經(jīng)發(fā)生的指示;為近似等于所述恢復時間段的第三時間段重新判定第 一設定點。
51. 如權利要求50所述的方法,進一步包括 在所述第三時間段后重新判定第二設定點。
52. 如權利要求48所述的方法,其中確定分配流體達到目標溫 度所用的時間量進一步包括 確定熱交換器入口溫度; 確定熱交換器出口溫度; 比較所述熱交換器出口溫度和所述目標溫度。
53. 如權利要求52所述的方法,其中如果所述熱交換器出口溫度已經(jīng)達到所述目標溫度,則計算分配 流體達到所述目標溫度的時間量;以及如果所述熱交換器出口溫度還沒有達到所述目標溫度,則設定箱 溫度等于所述熱交換器出口溫度。
54. 如權利要求48所述的方法,其中所述一組工藝參數(shù)包括 一組熱交換器參數(shù);一組分配流體參數(shù); 一組加熱/冷卻流體參數(shù);和 所述目標溫度。
55. 如權利要求54所述的方法,其中所述一組工藝參數(shù)進一步 包括分配流體流速。
56. 如權利要求54所述的方法,其中所述一組工藝參數(shù)進一步包括泵參數(shù);和 過濾器參數(shù)。
57. 如權利要求48所述的方法,其中所述第二流速對應于維持流速。
58. —種計算機程序產(chǎn)品,包括存儲在計算機可讀介質(zhì)上的可由 處理器執(zhí)行的一組計算機指令,其中所述一組計算機指令進一步包括 用于以下操作的可執(zhí)行指令接收一組工藝參數(shù),其中所述一組工藝參數(shù)包括加熱/冷卻流體 的第一流速;基于所述一組工藝參數(shù)確定分配流體達到目標溫度的時間量; 為所述加熱/冷卻流體確定第二流速;為近似等于分配流體達到所述目標溫度的時間量的第 一時間段 判定對應于所述第 一流速的第 一設定點;為所述第 一 時間段后的第二時間段判定對應于所述第二流速的 第二設定點。
59. 如權利要求58所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于以 下操作的可執(zhí)行指令確定恢復時間段。
60. 如權利要求59所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于以 下操作的可執(zhí)行指令接收分配已經(jīng)發(fā)生的指示;為近似等于所述恢復時間段的第三時間段重新判定第 一設定點。
61. 如權利要求59所述的計算機程序產(chǎn)品,進一步包括用于以下操作的可執(zhí)行指令在所述第三時間段后重新判定第二設定點。
62. 如權利要求58所述的計算機程序產(chǎn)品,其中確定分配流體 達到所述目標溫度的時間量進一步包括確定熱交換器入口溫度; 確定熱交換器出口溫度; 比較所述熱交換器出口溫度和所述目標溫度。
63. 如權利要求62所述的計算機程序產(chǎn)品,其中 如果所述熱交換器出口溫度已經(jīng)達到所述目標溫度,則計算分配流體達到所述目標溫度的時間量;和如果所述熱交換器出口溫度還沒有達到所述目標溫度,則設定箱 溫度等于所述熱交換器出口溫度。
64. 如權利要求58所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述一組工藝 參數(shù)包括一組熱交換器參數(shù); 一組分配流體參數(shù); 一組加熱/冷卻流體參數(shù);和 所述目標溫度。
65. 如權利要求64所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述一組工藝 參數(shù)進一 步包括分配流體流速。
66. 如權利要求64所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述一組工藝 參數(shù)進一步包括泵參數(shù);以及 過濾器參數(shù)。
67. 如權利要求58所述的計算機程序產(chǎn)品,其中所述第二流速 對應于維持流速。
全文摘要
本發(fā)明實施例提供了用于優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的一個實施例包括計算機程序產(chǎn)品,其包括用于執(zhí)行以下操作的可執(zhí)行計算機指令接收一組包括流體參數(shù)和熱交換器參數(shù)的工藝參數(shù),和確定分配流體達到目標溫度的時間。此外,這些指令可執(zhí)行以確定導致達到目標溫度的時間在預定限以下的一組工藝參數(shù)。按照本發(fā)明的另一實施例,一組計算機指令可計算分配流體達到目標溫度的時間,用于加熱/冷卻流體的預測流量控制。
文檔編號G06G7/48GK101099127SQ200580027169
公開日2008年1月2日 申請日期2005年6月21日 優(yōu)先權日2004年8月11日
發(fā)明者吳群偉, 約瑟夫·E·斯密斯 申請人:恩特格里公司