用於半導體工藝控溫設備的石蠟相變蓄熱溫度調節裝置的製作方法
2023-11-05 01:15:27
本發明屬於控溫設備技術領域，特別涉及一種用於半導體工藝控溫設備的石蠟相變蓄熱溫度調節裝置，更詳細地涉及具有利用壓縮機排氣廢熱，通過石蠟相變蓄熱，對載冷劑進行溫度調節的裝置。
背景技術：
在晶片、晶元、液晶面板、集成電路等半導體產品生產加工過程中，半導體產品生產主工藝設備對加工溫度有著很苛刻的要求。主工藝設備在半導體產品加工過程中，需要維持恆定的環境溫度，如果配套控溫設備溫度波動過大就會造成廢品和殘次品，引起不必要的經濟浪費。現在主流的給主工藝設備配套的控溫設備溫控能力可以達到空載狀態下溫度波動不超過±0.05℃，帶載狀態下不超過±0.5℃。目前常用的控溫方式為間接製冷系統，是利用控溫設備的製冷系統冷卻載冷劑，再經過電加熱器進行溫度調節，持續不斷地向主工藝設備端供應恆溫載冷劑，通過載冷劑與主工藝設備熱交換腔進行熱量交換，維持半導體主工藝設備的恆溫狀態。
目前半導體行業為主工藝設備進行控溫的設備，主要採用上述控溫方式。該控溫方式所用控溫設備的結構及原理如圖1，此類設備的控溫工作方式包括製冷控制工作方式及載冷劑控制工作方式，其中：
製冷控制工作方式時，該設備由壓縮機1、冷凝器2、電子膨脹閥3、蒸發器4、冷凝器進水管8、冷凝器出水管9、壓縮機排氣管10、冷凝器出液管11、蒸發器進液管12、壓縮機回氣管13等部件組成。工作原理敘述如下：壓縮機1在電機驅動下通過做功將低溫低壓的製冷劑蒸汽轉化為高溫高壓的製冷劑氣體，壓縮機1高溫高壓排氣通過壓縮機排氣管10進入冷凝器2內，廠務水經由冷凝器進水管8進入冷凝器2內對壓縮機1排氣進行冷凝換熱，吸收排氣廢熱後廠務水由冷凝器出水管9輸送至廠務水冷水機進行冷卻循環；冷凝器2將高壓高溫蒸汽冷凝為高溫高壓的液體製冷劑，經由冷凝器出液管11進入電子膨脹閥3進行節流降溫降壓；經過節流降溫降壓後的低溫製冷劑液體經由蒸發器進液管12進入蒸發器4內，並通過吸收載冷劑的熱量蒸發為飽和製冷劑蒸汽；製冷劑低溫低壓飽和蒸汽經由壓縮機回氣管13回到壓縮機1進行做功，進而再進入下一個製冷循環。
載冷劑控制工作方式時，該設備由蒸發器4、溶液泵5、電加熱器6、主工藝設備端7、載冷劑出液管14、載冷劑回液管15等部件組成。工作原理敘述如下：載冷劑經過主工藝設備端7進行熱交換後，經由載冷劑回液管15輸送至蒸發器4內進行降溫冷卻，經冷卻的載冷劑經由載冷劑出液管14進入溶液泵5進行循環泵送；經冷卻的載冷劑低於主工藝設備端7的要求溫度，需經過電加熱器6進行溫度調節，滿足要求後送入主工藝設備端7進行換熱，從而完成一個完整的換熱循環。
上述半導體產品生產主工藝設備所配屬的控溫設備主要存在以下問題：
1、該控溫設備主要通過電子膨脹閥3的開度來調節通過蒸發器4內製冷劑的多少，從而冷卻載冷劑所帶來的熱量，該載冷劑經蒸發器4降溫後一般要低於半導體產品生產主工藝設備要求的工作溫度，因此需要通過電加熱器6對過冷的載冷劑再進行加熱調溫，一方面壓縮機1由於需將載冷劑帶來的熱量降下去因而需多耗費一定量的電能，另一方面使用電加熱器6進行熱量平衡又將耗費大量的電能，導致所配屬設備電功率增大，電流也較大，電器選型及電纜均為相應增大，加之平時高昂的運行成本，對半導體生產企業來說無疑是一種巨大負擔。
2、冷凝器2所需的廠務水均是半導體生產企業配屬專用的冷水機對壓縮機排氣所產生的廢熱進行冷凝，經冷凝後的廠務水帶走的熱量需要耗費一定量的電能，也是一種能量浪費。
技術實現要素：
本發明的目的是針對半導體產品主工藝設備所配屬的溫控設備配備電加熱器耗能大和廠務水冷水機能耗兩方面問題，提出一種石蠟相變蓄熱溫度調節裝置。一方面利用壓縮機排氣的廢熱通過石蠟相變蓄熱溫度調節裝置來代替常規配置的電加熱器，對載冷劑進行溫度調節，另一方面因一部分壓縮機排氣無需經過冷凝器進行冷凝，所以減少了廠務水所需帶走的熱量，進而降低了半導體企業冷水機的耗電，從而起到節能的作用，大幅減低半導體企業的運行成本。
本發明提出的一種用於半導體工藝控溫設備的石蠟相變蓄熱溫度調節裝置，其特徵在於，包括外殼以及位於該外殼內的多個溫度調節單元，相鄰兩個溫度調節單元之間、以及溫度調節單元與外殼之間均設有壓縮機排氣換熱腔；每個溫度調節單元均包括中部的載冷劑換熱腔及位於該載冷劑換熱腔兩側的石蠟蓄熱腔；各石蠟蓄熱腔的上、下端分別均通過石蠟連通管連通，各載冷劑換熱腔的一端分別均設有載冷劑出液管接口、另一端分別均設有載冷劑進液管接口，各壓縮機排氣換熱腔一端分別均設有壓縮機排氣進氣管接口、另一端分別均設有壓縮機排氣出液管接口。
本發明的特點及有益效果：
1、石蠟相變蓄熱溫度調節裝置中利用石蠟相變特性蓄熱，可以避免半導體工藝控溫設備採用壓縮機排氣直接換熱導致溫升過大而難以實現控溫的弊端，可以實現溫度平衡，穩定控溫；
2、石蠟相變蓄熱溫度調節裝置利用壓縮機排氣廢熱，不需要多耗費額外電能，節能環保，而且可以減少通過冷凝器帶走的熱量，減少半導體企業廠務水冷水機的能耗；
3、石蠟相變蓄熱溫度調節裝置壓縮機排氣流向和載冷劑流向為逆向流動，可以和石蠟充分換熱，換熱效率高，熱量穩定；
4、石蠟相變蓄熱溫度調節裝置內部結構可充分考慮液化石蠟流動的熱穩定性和相變餘積，安全可靠。
附圖說明
圖1為已有控溫設備的結構及控溫方式的原理示意圖。
圖2為本發明石蠟相變蓄熱溫度調節裝置的結構示意圖。
圖3為採用本發明石蠟相變蓄熱溫度調節裝置的控溫設備的結構及控溫方式的原理示意圖。
具體實施方式
本發明提出的一種用於半導體工藝控溫設備的石蠟相變蓄熱溫度調節裝置結合附圖及具體實施例進一步說明如下：
本發明提出的一種用於半導體工藝控溫設備的石蠟相變蓄熱溫度調節裝置16，是利用石蠟的相變特性，液化吸熱，凝固放熱，利用相變潛熱來蓄熱，代替如圖1所示已有控溫設備中的電加熱器使用，本發明的結構示意如圖2所示，該溫度調節器包括外殼25以及位於該外殼內的多個溫度調節單元；相鄰兩個溫度調節單元之間、以及溫度調節單元與外殼之間均設有壓縮機排氣換熱腔22；每個溫度調節單元均包括中部的載冷劑換熱腔24及位於該載冷劑換熱腔兩側的石蠟蓄熱腔23，載冷劑換熱腔24、石蠟蓄熱腔23及壓縮機排氣換熱腔22內分別填充有載冷劑、石蠟和壓縮機排氣；各石蠟蓄熱腔23的上、下端分別均通過石蠟連通管26連通，各載冷劑換熱腔24的一端分別均設有載冷劑出液管18接口、另一端分別均設有載冷劑進液管17接口，各壓縮機排氣換熱腔22一端分別均設有壓縮機排氣進氣管19接口、另一端分別均設有壓縮機排氣出液管20接口；外殼和各換熱腔的腔壁均採用優良導熱材料製成,導熱係數高達237w/(m·k)。
所述單個溫控調節單元的換熱面積分別有0.014m2、0.020m2、0.026m2、0.050m2、0.095m2多種可供選擇，根據不同換熱面積需要，確定所需要溫控調節單元數量。
應用本發明石蠟相變蓄熱溫度調節裝置16構成的溫控設備結構示意如圖3所示，該控溫設備的控溫工作方式同樣包括製冷控制工作方式及載冷劑控制工作方式，與圖1所示控溫設備不同的是：
製冷控制工作方式時，在冷凝器2的進、出口端分別增加壓縮機排氣進氣管19和壓縮機排氣出液管20；石蠟相變蓄熱溫度調節裝置16中的各壓縮機排氣換熱腔22一端均通過壓縮機排氣進氣管接口與壓縮機排氣進氣管19連通、另一端均通過壓縮機排氣出液管接口與壓縮機排氣出液管20連通，在壓縮機排氣進氣管19上設有電磁閥21；
載冷劑控制工作方式時，石蠟相變蓄熱溫度調節裝置16中各載冷劑換熱腔的載冷劑出液管接口均通過載冷劑出液管18與主工藝設備端7的進口端相連、載冷劑進液管接口均通過載冷劑進液管17與溶液泵5一端相連。
採用本發明構成控溫設備的製冷控制工作方式和載冷劑控制工作方式的工作原理與圖1所示控溫設備大體相似，不同點在於：本發明利用壓縮機的排氣對載冷劑進行加熱調溫，代替原來的電加熱器；分流了一部分壓縮機排氣不經過冷凝器，從而減少了半導體企業所配屬冷水機的工作負荷；兩方面均減少了耗電，節約了運行成本。具體控制原理敘述如下：
壓縮機1在電機驅動下通過做功將低溫低壓的製冷劑蒸汽轉化為高溫高壓的製冷劑氣體，壓縮機高溫高壓排氣通過壓縮機排氣管10分為兩個支路，一個支路進入冷凝器2內，另一個支路經由與石蠟相變蓄熱溫度調節裝置相連的壓縮機排氣進氣管19，通過電磁閥21控制進氣流量後進入石蠟相變蓄熱溫度調節裝置16的壓縮機排氣換熱腔22內，並與相鄰石蠟蓄熱腔23內的石蠟進行熱量交換，熱量通過石蠟相變特性進行存儲，製冷劑排氣被冷凝成高溫高壓的液體，經由與石蠟相變蓄熱溫度調節裝置相連的壓縮機排氣出液管20與來自冷凝器2的液體一起經由冷凝器出液管11輸送至電子膨脹閥3進行節流降溫降壓。
經蒸發器4冷卻後的載冷劑經由載冷劑出液管14進入溶液泵5進行泵送，載冷劑再經由與石蠟相變蓄熱溫度調節裝置相連的載冷劑進液管17進入石蠟相變蓄熱溫度調節裝置的載冷劑換熱腔24內與石蠟相變蓄熱溫度調節裝置中石蠟蓄熱腔23內的石蠟進行熱量交換，載冷劑被加熱成所需要的溫度後，經由與石蠟相變蓄熱溫度調節裝置相連的載冷劑出液管18輸送至主工藝設備端7循環。
通過石蠟相變蓄熱溫度調節裝置中載冷劑出液管接口的溫度反饋來調節控制電磁閥21開啟關閉時間長度(溫度越高，開啟時間越短，溫度越低，開始時間越長)，從而控制進入石蠟相變蓄熱溫度調節裝置16內的高溫高壓排氣量，以此維持石蠟相變蓄熱溫度調節裝置內熱量的平衡。
設置在石蠟相變蓄熱溫度調節裝置各石蠟儲熱腔端部的石蠟連通管26用於液化石蠟的流動，保持石蠟的溫度平衡和相變體積餘積。
本發明的關鍵點在於利用壓縮機排氣廢熱，通過石蠟相變蓄熱溫度調節裝置，將壓縮機排氣廢熱中的熱量存儲在石蠟中，石蠟在相變的過程中，實現對載冷劑的加熱調溫，代替了原來能耗高、電流大、存在火災隱患的電加熱器，使溫控設備更加經濟環保節能；同時通過分流壓縮機排氣，減少了經過冷凝器的壓縮機排氣廢熱，可以降低半導體企業所配屬冷水機的負荷，從而減少能耗；這兩個方面均能有效地降低能耗，減少日常運行成本，而且安全可靠環保。