带有可编程orit阀的温度控制系统的制作方法
【专利说明】带有可编程OR IT阀的温度控制系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年7月12日提交的临时申请N0.61/845,814和2014年7月9日提交的非临时申请N0.14/327, 402的优先权，并且上述申请的整体内容通过引用合并于此。
【背景技术】
[0003]热控制单元(TCU)，诸如加热和冷却系统被广泛地用于在选定可变温度下安置和保持加工工具或其他装置。现代热控制单元或温度控制单元的典型示例在高资本密集型半导体制造设备中被发现。对TCU强加严格的空间要求，以便尽可能节省昂贵的占地面积。可靠性必须被保证，因为如果要获得有利性能，要求的大资本设备成本不容许在操作中停机。对于不同的制造步骤，目标温度可以被改变，但必须被严格地保持，直到特定步骤被完成。在许多工业和普通家用制冷系统中，目的是将温度降低到选定水平然后将温度保持在并非高度精确的温度范围内。因此，即使在这些商业系统中实现可靠的且长寿命的操作，该性能也不会达到高技术生产机械的需求。
[0004]在大部分现代TCU中，通过中间热传递流体的使用来执行工具或加工的实际温度控制，其中在闭合循环中，中间热传递流体从TCU被循环通过设备并且再次返回。热传递流体被选择，该热传递流体在其最小操作压力下在低于其沸腾温度的期望的操作范围内稳定。热传递流体在其操作范围内也必须具有适合的黏度和流动特性。TCU本身应用制冷剂(现在通常是生态环境可接受的类型)以提供保持选定温度所需要的任何冷却。TCU可以通过常规液相/汽相循环来循环制冷剂。在这种循环中，制冷剂首先在高压力水平被压缩为热气体，然后被冷凝为加压液体。气体通过与冷却流体紧密热接触被传递而在冷凝器中被转化为液体，其中冷却流体是被周围流体冷却或直接被环境空气冷却的液体。然后，液态制冷剂通过经过阀膨胀到选定压力水平来降低温度。这种膨胀通过蒸发一些液体来冷却制冷剂，由此迫使液体在低饱和压力下平衡。在这种膨胀式冷却之后，制冷剂逐渐与热传递流体进行热交换以冷却所述热传递流体，以便保持对象设备处于目标温度水平。然后，制冷剂以汽相返回到加压阶段。如果需要提升循环的热传递流体的温度，则加热源通常必须根据需要被提供至热传递流体。通常来说，电加热器被布置以与循环的流体热交换，并且根据需要为电加热器供电。
[0005]这种T⑶已经且正在与许多变体一起被非常广泛地使用，并且在本领域中的发展对于大规模应用具有降低的成本和提高的可靠性。例如，在大规模生产的制冷机中，预计成千上万小时的操作和相对低成本的维护。然而，这种制冷系统很少能够在宽温度范围内操作，并且较低成本的版本通常使用气流作为直接热交换媒介用于制冷内容。
[0006]用于工业应用的现代T⑶必须精确操作、通常要求在选定的温度水平处小于±1摄氏度，并且在宽范围内转换到不同的水平(例如，对于特定安装从-40摄氏度到+60摄氏度)。用于这种应用的典型热传递流体包括乙二醇和水的混合物(通常来说是去离子形式)或以商标“Galden”或“Fluorinert”出售的专用全氟化流体。这些流体和其他流体已经被发现广泛地用于这些高度可靠的变温系统。然而，它们不具有高热传递效率，特别是全氟化流体，并且需要对TCU强加一些设计需求。例如，栗送系统需要能量和空间，用于使热传递流体循环通过热交换器(HEX)和受控工具或其他设备。除了这些能量损耗因素之外，在热交换中还存在能量损耗，因为传递热需要温度差，并且在将TCU耦接至受控设备的导管中或来自受控设备的导管中也遭遇损耗。因为待被冷却的装置周围直接相关的空间非常珍贵，所以可以要求导管的实质长度，这不仅引进了能量损耗，还增加了稳定加工工具的温度所需要的时间。总之，TCU的体积越大，越需要TCU远离受控装置被定位。沿流动路径的流体质量需要时间和能量来补偿它们引进的损耗。受控装置温度的任何变化除了影响导管内包含的热传递流体之外，还必须影响连接TCU和受控装置的导管。这是因为热传递流体与导管壁紧密热接触。因此，在最接近受控装置的导管末端处出现的流体在温度基本上等于导管壁的温度的情况下到达所述装置，并且在受控装置可能经历相似的温度改变之前这些导管壁的温度必须变化。
[0007]在这个意义上说，简单的制冷系统过去可能在没有分开的热传递流体的情况下已经应用制冷剂，已经考虑到在制冷循环期间应用的相变阻止在循环之外的物理距离处直接使用制冷剂。常规制冷剂固有地依靠相变用于能量储存和转换，以便在制冷循环中的每点处还必须具有液相和汽相的适当的状态或混合，用于压缩机和其他组件的稳定和可靠操作。使用饱和流体诸如制冷剂直接与可变热负载热交换呈现出难以克服的系统问题。
[0008]背离传统的两相蒸汽循环的用于温度控制的各种系统已经被提出，包括发明人Kenneth ff.Cowans等人在美国专利N0.7，178，353和美国专利N0.7，415，835中描述的那些系统。这种背离是针对新颖的温度控制系统，新颖的温度控制系统将热气体加压模式中的制冷剂流与膨胀的蒸汽/液体模式中相同的冷却剂流结合。在封闭环路蒸汽循环制冷系统中，该系统将一些膨胀的冷却剂流与适当比例的加压热气结合。当生成的结合制冷剂流在热交换器(HEX)中时，其可以直接与负载交换热能。这种系统在提高热传递效率和经济性方面提供显著成效，并且能够使温度水平变化迅速且精确。由于这些系统不需要中间冷却剂并且压力可以迅速地变化，为了简化有时将“直接传递饱和流体”称为TDSF，这种方法为许多温度控制应用提供不同的操作和经济优势。
[0009]已经转让给当前受让人的美国专利N0.7，415，835(其内容通过引用全部合并于此)介绍一种系统，该系统在能够非常快的温度变化响应的情况下应用液体和蒸汽的制冷剂混合物的高热传递效率。该系统的优点是其消除了对修正受控装置处的温度水平的大量延迟时间的需要，消除了对导管和热交换器中大量能量损耗的需要和消除了在不同水平的目标温度之间转换中对大量时间延迟的需要。
[0010]受限斜坡系统在其操作中应用四种模式:倾斜上升、调节、等待和倾斜下降。在倾斜上升模式中，静电吸盘从一个调节温度被迅速加热到较高温度。在调节阶段中，大量射频(RF)能量在加工过程中被冷却。在等待阶段中，静电吸盘被调节处于某一温度，但是系统被唤醒以提供热量。在倾斜下降模式中，静电吸盘从一个调节温度迅速冷却到较低温度。
[0011]Cowans等人的美国专利申请N0.13/651,631 (其全部内容通过引用合并于此)讨论了被用于制冷或热交换的蒸汽循环系统的改进，其可以通过修改常规蒸汽循环(图2)而实现，其在压缩冷凝制冷剂的膨胀之后包含附加热交换步骤(图3)。然后，该热能互换在膨胀的制冷剂和来自蒸发器的回流之间进行，并且伴随着受控的压力降，其引进增强的后冷凝(EPC)。后冷凝降低传递到蒸发器的制冷剂的质量水平(蒸汽质量与总质量的比)，并且提高在与负载能量交换期间的有效热传递系数。这种手段增加了移动通过蒸发器的质量的体积密度，并且降低了引进的压力降，从而最小化蒸发器内低效率区域中的热传递损耗。由压力降装置提供的受控压力降引进基本恒定的压力差，以确保在期望最大加热的那些时间期间没有膨胀的蒸汽和液体流动。
[0012]膨胀的液体/蒸汽混合物在将加压输入馈送到蒸发器之前提供到两相热交换器的一侧，热交换器在已经服务负载之后还接收从蒸发器传递来的输出流。压力降阀引进两相混合物中相同数量级的温度降作为用于使用热膨胀阀调节冷却温度的质量过热(masssuperheat) 0由此产生的温度降驱动热量从热交换器中的一个流流入到另一流中。因此，通过在给定温度控制单元中引进相对小的热交换器和压力降装置，实现总增益为h。这导致效率的净增益。
[0013]应用该原理的TDSF系统采用通过相对来说通常小于负载的增补热交换器的流体流动，并且还采用压力降阀以使温度差可用于驱动所述增补热交换器两端的热，以便引进进一步的冷凝。这种组合通过行动来独特地影响TDSF系统操作，以限制和消除温度变化的偏差并且增加系统效率。可以通过精确地阀调节进入混合物的热气体流来引进温度水平的小变化。
[0014]当需要稍微较高的温度和/或在低流量水平或低功率水平下操作时，情况不同，因为加压热气体源呈现出更大潜力的能量输入(与膨胀后冷凝的液体蒸汽输入所呈