[发明专利]带有可编程ORIT阀的温度控制系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年7月12日提交的临时申请No.61/845,814和2014年7月9日提交的非临时申请No.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

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。

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。

这种TCU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。

用于工业应用的现代TCU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，泵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。

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。