CN101960239A - 换热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种换热装置。本发明的目的在于提供一种能够避免损坏装置构造的安全的换热装置。换热装置(10)的特征在于，包括：第1换热器(12)，应被冷却的高温的第1液体在该第1换热器(12)中流通；第2换热器(16)，温度比第1液体低的第2液体在该第2换热器(16)中流通；风扇(14)，其使空气以上述第1换热器(12)、第2换热器(16)的顺序通过上述第1换热器(12)和第2换热器(16)，该换热装置(10)使空气通过第1换热器(12)而将第1液体冷却至所需温度，并且使通过第1换热器(12)而已升温的空气通过第2换热器(16)，从而利用第2液体冷却该空气。
Description
技术领域
本发明涉及换热装置，特别涉及适合在对半导体制造装置内的冷却水进行冷却的冷却装置中使用的换热装置。
背景技术
在半导体制造等很多工业性用途中，为了冷却在制造工序中使用的构件或处理工具(冷却对象装置)，而利用使液体在构件或装置中循环的换热装置(冷却装置)。例如可以使用以GALD EN商标以及FLUORINERT商标销售的液体来作为上述液体。在系统工作时，上述液体达到远高于100℃的温度。
通常，使用所谓液—液换热器将上述那样的冷却用高温液体冷却至所需温度，然后利用循环泵使冷却后的高温液体在冷却对象装置中循环、再利用，上述液—液换热器是在用于供给该高温液体的贮存槽中配置有使冷却水流通的螺旋管而成的。但是，在尤其使用冷却水的上述换热系统中也存在问题。例如，根据冷却水的温度以及流量的不同，有时冷却水沸腾而使装置振动、或使水垢沉积。振动最后会引发管发生龟裂等损坏装置结构的问题，水垢沉积会使冷却水的流量下降，甚至会使系统整体的热传递效率下降。结构上的损坏还有可能引发高温液体与冷却水之间的液体泄漏，而由此引发的冷却水的瞬间气化存在爆炸等潜在性危险。在由Jonas Lindvall以及Marcus Minkkinen作成的题目为“Fracture Mechanics For a Plate Heat Exchanger Gasket(用于板式换热器的垫圈的破坏力学)”(Report TVSM-5125，77pages，First published May，2004)的论文中也提到了上述问题。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而做成的，目的在于提供一种能够避免损坏装置的结构、安全且能防止水垢沉积、不会使热传递效率下降的换热装置。
为了解决上述问题，本发明的换热装置的特征在于，包括：第1换热器，应被冷却的高温的第1液体在该第1换热器中流通；第2换热器，其与该第1换热器隔开所需间隔地配置，且温度比第1液体低的第2液体在该第2换热器中流通；风扇，其使空气以上述第1换热器、第2换热器的顺序通过上述第1换热器和第2换热器，该换热装置使空气通过上述第1换热器而将第1液体冷却至所需温度，并且使通过第1换热器而已升温的空气通过上述第2换热器，从而利用第2液体冷却该空气。
参照上述以及下述说明、以及使用所添加的附图进行研究，能够更加深刻地理解本发明附带的许多特征，从而能够更加简单且充分地理解本发明。另外，在所添加的附图中，对于相同的构件在各图中均标注相同的附图标记。
采用本发明，能够提供一种可以避免损坏装置的结构、安全且能防止水垢沉积、不会使热传递效率下降的换热装置。
附图说明
图1是换热装置的概略图。
图2是表示换热装置与冷却对象物的关系的概略图。
图3是表示换热系统的动作的控制流程图。
图4是表示换热装置的其他实施方式的概略图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的实施方式。
图1是换热器10的概略图。换热器10具有能够高效冷却高温热介质流体(第1液体)的液—气换热器(第1换热器12)。换热系统利用风扇14使空气流入含有高温热介质流体(第1液体)的第1换热器12中。空气流过第1换热器12，从而将第1液体冷却至所需温度。热量向空气移动，从而空气被加热到例如超过200℃的极高温度。已被加热的空气流入含有水等第2液体的第2换热器16中，由此将热量传递给水等第2液体。由于空气的比热较低，因此不会使第2液体的温度上升太多，从而不会使第2液体沸腾而引发装置的振动、或使管产生龟裂而使第2液体急剧气化由此引发装置的爆炸、或使水垢沉积而引发热传递效率的下降。循环使用与第2液体进行热量交换而被冷却至安全的所需温度的空气。
将冷却至所需温度的第1液体作为半导体制造装置等冷却对象物的冷却水而循环使用。
在管道18内按照风扇14、第1换热器12、第2换热器16的顺序隔开所需间隔地配置风扇14、第1换热器12、第2换热器16。控制器(控制部)20与风扇14的驱动部相连接，用于监视、调整风扇14的转速。在本实施方式中，设有检测被第1换热器12冷却的第1液体的温度的温度传感器22，将利用温度传感器22检测到的温度输入控制器20。控制器20监视由温度传感器22检测的第1液体的温度，然后利用PID控制来调整风扇14的转速。即、在第1液体的温度高于设定温度(例如170℃)时，控制器20进行控制以提高风扇14的转速，从而提高第1换热器12中的换热效率，在第1液体的温度低于设定温度时，控制器20降低风扇14的转速。利用该处理能够使第1液体以期望的温度自换热系统流出。
为了确保空气流的均匀且一致的流动，与风扇14隔开足够的距离地配置第1换热器12。风扇14例如配置在距离第1换热器12大约150mm的位置上。借助泵(未图示)、管23、阀(未图示)以及其他流体流通构件将高温的第1液体(冷却液)、例如GALDEN(商标)供给到第1换热器12中。作为一例，第1液体的温度大约为120～200℃。在本实施方式中，第1液体在1根或多根的螺旋状管内沿螺旋轨迹流动。在来自风扇14的空气通过螺旋管、即第1换热器12的散热片和散热板时，第1液体的热量向空气移动。在本实施方式中，传热速度大约为20kw。在第1液体的温度为200℃的情况下，空气的温度达到大约200℃。将第1液体冷却到大约190℃，然后自第1换热器12排出。冷却后的第1液体被贮存在贮存罐24中，利用泵25将该第1液体供给到半导体制造装置等冷却对象物并循环使用。
流入第1换热器12中的第1液体的温度比设定温度高。例如，在将第1液体以作为设定温度的170℃自第1换热器12供给到半导体制造装置(冷却对象物)并在半导体制造装置内接受20kw的热负荷的情况下，第1液体以大约179.5℃返回到第1换热器12中(假设流量为15GPM(gallon/min))。这样，在半导体制造装置内被利用为冷却水、返回到第1换热器12中的第1液体的温度当然比设定温度高。风扇14用于可变冷却第1换热器12的内部，从而能够使第1液体以设定温度自第1换热器12流出。
第2换热器16配置在距离第1换热器12大约100mm的位置上。将能够容易获得的、来自制造设备的水等冷却液作为第2液体供给到第2换热器16中。作为一例，第2液体的温度大约为15～25℃，与第1液体的温度相比足够低。与第1换热器12同样，为了确保向第2换热器16供给第2液体，而配置有管26、阀27、其他流体流通构件。在本实施方式中，第2液体在1根或多根的螺旋状管内沿螺旋轨迹流动。在已被加热的空气通过第2换热器16时，热量传递给用于加热液体的第2换热器16内的第2液体。由于自系统流出的空气被冷却，因此能够安全地排出。即、无需设置用于在高温条件下排出空气的特别的空气流系统或构件。自空气向第2液体的传热速度大约为20kw。此时，第2液体被加热至大约40℃，空气的温度下降到大约30℃。然后，使已加热的水随后返回到适当设备中而在设备中冷却该水，之后再循环到制造设备的各处。如上所述，由于第2液体(水)不会沸腾，因此能够防止管等被损坏，并且能够防止水垢沉积，亦不会影响热传递效率。
另外，附图标记28表示单向阀。
图2表示换热装置10与半导体制造装置等冷却对象装置30的关系的一例。
冷却对象装置30如上述那样被施加大约20kw的热负荷。在冷却对象装置30是半导体制造装置的情况下，为了进行蒸镀等制膜处理，通常利用用于载置半导体基板的加热板中的电热器或微波加热器等加热装置施加热负荷，以将半导体基板保持为期望的温度。加热板的温度在处理过程中呈现慢慢上升的趋势。因此，如果不设置上述换热系统(换热装置)，则会使加热板的温度持续上升，由此可能损坏半导体制造装置，结果导致半导体处理的停止。此类处理的停止，会导致制造效率下降，严重影响生产。
热负荷变化的情况也存在。例如在半导体处理的各阶段或各工序中，可以使热负荷在0～20kw等区间内变化。例如，在不使用半导体制造装置进行操作的情况下、例如在清洗过程中或其他基板的待机过程中，有时施加0kw或接近于0kw的热负荷，从而使工具冷却。在使用以往典型的液—液换热器的情况下，当利用第2液体即水来冷却例如200℃的第1液体时，由于水可能沸腾，因此即使热负荷为零，也必须使水始终流动。始终利用泵汲取水，且以水垢不在管内沉积的方式、或在换热器内不产生危险的液压的方式，而使该水循环流动。这样为了确保恒定的液流而持续使用泵或等同的机械装置的做法，会持续浪费电，且持续不必要地消耗系统构件。
此外，随着半导体处理的进行，处理工具的热量以能够进行半导体基板的处理的方式上升。例如利用电热器或微波加热器进一步加热而将半导体基板设定为最佳温度。在使用具有持续冷却处理工具的特性的以往的换热器、例如液—液换热器来进行该操作的情况下，必须与冷却的量相对应地自加热器补充热量，因此浪费能量。另外，在以往的换热器中，由于具有上述那样的特性(持续冷却处理工具)，因此需要更多的处理时间来将半导体基板设定成最佳温度，由此对整个半导体处理时间产生不良影响。
关于上述问题，在本实施方式中的、风扇14以及液—气换热器12、16所进行的换热工作的情况下，不会受到上述那样的不良影响。例如，由于对在第1换热器12中流动的已加热的第1液体执行零冷却，因此可以使风扇14停止旋转或几乎停止旋转。在该情况下，在第2换热器16中也没有冷却空气的必要，因此也可以使第2换热器16停止运转。
接下来，进一步说明风扇14、第1换热器12和第2换热器16。
风扇14没有特别限定，但优选具有每分钟产生大约8m3的风量的能力。风扇14是能被控制器20控制以依据需要提高或降低转速的可变速鼓风机。可以在空气被导入风扇14中之前、或自风扇14排出空气之前冷却该空气。作为控制器20的实例，可举出闭环PID控制器。作为温度传感器22的实例，可举出100ΩPtRTD。
第1换热器12以能够承受250℃的温度的方式设计，且能够以20kw的传热速度来传递热量。另外，为了对应更低、或更高的传热速度，当然也能以与上述标准不同的标准设计系统。
通常人们认为液—气换热系统是大型的装置，但这是误解。该误解引导本领域技术人员出于液—液换热器小型且具有特有的高效传热性的这一理由而使用液—液换热器。
只要空气与加热后的第1液体之间的温度差为例如120～160℃左右的充分大的温度差，则第1换热器12中的换热效率就会较高，因而液—气换热系统也可以是小型的装置。但是，在上述温度差的量小于90℃时，有时在第1换热器12中越使加热后的第1液体的温度降低到期望的设定温度、热传递效率越低。
图3是表示换热系统的动作的控制流程图。在步骤51中，利用温度传感器22测量第1液体的温度。在所测得的温度高于高温度阈值的情况下(步骤52)，提高风扇14的转速(步骤S53)。另一方面，在所测得的温度低于低温度阈值的情况下(步骤54)，降低风扇14的转速(步骤S55)。由此，能够减少风扇14的耗电量以及降低风扇14的消耗程度，并且能够将第1液体维持在期望的温度(设定温度)。在本实施方式中，在所测得的温度高于极高的温度阈值的情况下(步骤S57)，判定该情况为缺陷状态。该缺陷状态表示液体未被充分冷却等系统未做妥当动作的情况。在该情况下，例如为了在该缺陷状态解除之前抑制第1液体流入第1换热器12中以及/或者抑制第1液体自第1换热器12流出，可以使1个或多个阀进行动作。另外，为了提高性能、提早辨认潜在缺陷、或进行双重安全处理，还可以利用传感器和控制部来监视风扇14、换热器12、16以及系统内所用的其他构成构件的动作。
控制器(控制部)20为了调整可变速风扇14的冷却能力而向该风扇14施加比例输出。自第1换热器12排出的空气的温度极高，不易在该温度下自换热装置排出该空气。因此，将空气输送到被第2液体(设备冷却水等)冷却了的第2换热器16中。结果，能够获得可自换热装置10输出、或可在该换热装置10内循环的大致室温的空气。将第1液体(半导体制造装置等的冷却水)与具有空气隙(air gap)的第2液体(工厂冷却水等)分开，利用可变气流调整温度，从而能够提高换热系统的性能、安全性以及使用寿命。
图4是表示换热装置10的其他实施方式的概略图。对于与图1所示的换热装置相同的构件，标注相同的附图标记而省略说明。
在本实施方式中，与图1所示的实施方式的不同之处在于，在管道18内自空气流的上游侧按照第1换热器12、第2换热器16、风扇14的顺序配置第1换热器12、第2换热器16、风扇14。
在采用图1的实施方式的情况下，在通常运转时没有问题。但如上所述，存在利用温度传感器22检测到的检测温度高于极高的温度阈值而判定为缺陷状态，装置10被紧急停止运转的情况。在该情况下，如果在供高温的第1液体流通的第1换热器12的上游侧临近位置配置风扇14，则第1换热器12中的高温的热量沿管道18等传递给风扇14，在风扇14由树脂制成等情况下，可能损坏风扇14。关于该问题，通过将风扇14配置在供低温的第2液体流通的第2换热器16的下游侧，能够解决风扇14受热而损坏的不良。
另外，在采用图4所示的实施方式的情况下，第1换热器12、第2换热器16、风扇14、贮存罐24、泵25等配置在壳体32内，自第2换热器16流出且已被冷却的空气在壳体32内被循环使用。
并且，在采用本实施方式的情况下，在壳体32上设置外部空气导入口33，并且设置能将壳体32内的一部分空气排出到外部的排出口34、35。此外，在排出口35处设有小风扇36。
在将壳体32形成为密闭型的装置时，存在使在壳体32内循环的空气的温度逐渐上升的情况。关于该问题，如上所述，通过设置外部空气导入口33而能够将一部分外部空气导入壳体32内，且能够自排出口34、35排出壳体32内的一部分空气，从而能够将壳体32内的空气的温度控制为恒定的温度，由此能够以高精度进行热量交换。
另外，在图4中，附图标记37、38表示安全阀，用于将贮存罐24内的压力保持在恒定范围内。
附图标记39表示液面传感器，能够检测贮存罐24内的第1液体的液面高度，在液面高度变成规定值以下的情况下发出警报。
附图标记40、42表示压力表。
另外，附图标记43、44表示排水罐。
本发明提供一种用在半导体制造用途中的换热系统。以上以特定的实施方式说明了本发明，但只要是本领域技术人员，则清楚本发明可以进行更多的改进、改变。因而，应理解在本发明中包括在不脱离本发明主旨的范围内进行的尺寸、形状以及材料的各种改变，且可以利用与上述实施方式不同的其他方法实施本发明。因此，上述本发明的实施方式均只为例示，本发明并不限定于此。
Claims (10)
1.一种换热装置，其特征在于，
该换热装置包括：
第1换热器，应被冷却的高温的第1液体在该第1换热器中流通；
第2换热器，其与该第1换热器隔开所需间隔地配置，且温度比第1液体低的第2液体在该第2换热器中流通；
风扇，其使空气以上述第1换热器、第2换热器的顺序通过上述第1换热器和第2换热器；
该换热装置使空气通过上述第1换热器而将第1液体冷却至所需温度，并且使通过第1换热器而已升温的空气通过上述第2换热器，从而利用第2液体冷却该空气。
2.根据权利要求1所述的换热装置，其特征在于，
将上述风扇相对于空气流配置在上述第2换热器的下游侧。
3.根据权利要求1或2所述的换热装置，其特征在于，包括：
温度传感器，其检测在上述第1换热器中通过而被冷却后的第1液体的温度；
控制部，其以如下方式进行控制：在利用该温度传感器检测到的温度高于设定温度的情况下，该控制部提高上述风扇的转速，在利用该温度传感器检测到的温度低于设定温度的情况下，该控制部降低上述风扇的转速，从而将第1液体的温度控制成设定温度。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的换热装置，其特征在于，
上述第1液体为温度大于100℃的液体，上述第2液体是水。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的换热装置，其特征在于，
空气与初期的第1液体之间的温度差为120～160℃。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的换热装置，其特征在于，
上述第1换热器、第2换热器以及风扇配置在壳体内，利用风扇来使壳体内的空气循环而送风。
7.根据权利要求6所述的换热装置，其特征在于，
一部分外部空气被导入上述壳体内，壳体内的空气的一部分被排出到外部。
8.根据权利要求1～7中任意一项所述的换热装置，其特征在于，
还具有循环泵，该循环泵用于使通过上述第1换热器而被冷却后的第1液体在冷却对象装置内循环。
9.根据权利要求8所述的换热装置，其特征在于，
还具有贮存罐，该贮存罐贮存在上述第1换热器中通过而已被冷却的第1液体。
10.根据权利要求8或9所述的换热装置，其特征在于，
上述冷却对象装置是半导体制造装置。
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