TWI834188B - 冷導管絕緣裝置 - Google Patents
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Abstract
一種熱絕緣結構包括一絕緣層，該絕緣層具有鄰近一冷卻裝置之一第一表面及與該第一表面相對之一第二表面。一加熱器設置成鄰近該第二表面，且一保護層設置成鄰近該加熱器層使得該加熱器層設置在該絕緣層與該保護層之間。該加熱器層係組配成減少在該絕緣層之一外表面上的霜或冰積累。
Description
本申請案主張2021年6月9日申請之美國暫時專利申請案第63/208,818號的優先權及利益。上述申請案之揭示在此全部加入作為參考。
本揭示係有關於熱絕緣裝置，且更特別地有關於用於冷導管之熱絕緣裝置。
在這部份中之說明只提供關於本揭示之背景資訊且不構成習知技術。
半導體製造需要一晶圓在某些處理步驟中被冷卻。通常，一冷卻裝置係整合在一晶圓支持基架上以便對該晶圓提供冷卻。該冷卻裝置係連接於一冷媒導管，該冷媒導管接著連接於例如一熱交換器之一外冷卻源。通常環繞該冷媒導管設置一熱絕緣結構以維持該冷媒之溫度在一預定低溫。當需要一非常低溫，例如-40℃或甚至-80℃之冷媒時，增加該熱絕緣結構之厚度以增加熱絕緣。但是，在半導體製造設備中之空間有限，且因此可能無法增加該熱絕緣結構之厚度。
此外，由於該冷媒導管之零下溫度，霜或冰會積累在該冷媒導管之外表面上，使水分滲入該熱絕緣結構。該水分會降低該熱絕緣結構之熱阻(即，熱絕緣)且會使該絕緣結構承受熱短路之風險。
本揭示解決與用於一冷媒導管之熱絕緣相關的這些及其他問題。
這部份提供該揭示之一般概要而非其完整範圍或其全部特徵之一全面性揭示。
在一形態中，一種熱絕緣裝置包括：一絕緣層，其具有鄰近一冷卻裝置之一第一表面及與該第一表面相對之一第二表面；一加熱器層，其設置成鄰近該第二表面；及一保護層，其設置成鄰近該加熱器層使得該加熱器層設置在該絕緣層與該保護層之間。
在可單獨地或以任何組合實施的這熱絕緣裝置之變化例中：該絕緣層界定一管狀本體，該第一表面係該管狀本體之一內表面且該第二表面係該管狀本體之一外表面；該加熱器層包圍該絕緣層，且該保護層包圍該加熱器層；該加熱器層係組配成減少在該絕緣層之一外表面上的霜或冰積累；一蒸氣障壁層設置在該保護層與該絕緣層之間；該絕緣層包括選自於由：聚異氰酸酯、聚胺甲酸乙酯、膨脹聚苯乙烯、聚矽氧發泡體、聚乙烯發泡體、氣溶膠及其組合構成之一群組的一材料；該絕緣層包括一單石本體；該絕緣層包含一複合結構；該絕緣層包括一氣溶膠材料作為一主要成分；一介電層及一蒸氣障壁層係設置在該保護層與該絕緣層之間；該蒸氣障壁層係一鋁材料或一聚合物膜上之一金屬薄膜；該介電層係一聚醯亞胺材料或一強化聚矽氧橡膠材料；該加熱器層包含一聚醯亞胺加熱器；且該加熱器層包含一分層加熱器。該熱絕緣裝置可更包括用於供應一感應電壓至該加熱器層之一電力產生裝置。該感應電壓係藉由該電力產生裝置中之一溫度差感應產生。該電力產生裝置包括接合且由不同材料製成之一第一導電部份及一第二導電部份。該等第一與第二導電部份係設置成鄰近具有不同溫度之外組件使得該等第一與第二導電部份之間產生該溫
度差。
在另一形態中，一種熱絕緣裝置包括：一管狀絕緣層，其界定用於收納一冷媒導管於其中之一中心孔；一加熱器層，其設置成環繞該管狀絕緣層；一保護層，其設置成環繞該加熱器層；一介電層，其設置在該加熱器層與該保護層之間；及一蒸氣障壁層，其設置在該加熱器層與該保護層之間。在又一形態中，該加熱器層係設置成環繞該保護層。
其他應用領域可由在此提供之說明了解。應了解的是該說明及特定例子只是為了要說明而非意圖限制本揭示之範圍。
20:熱絕緣裝置
22:絕緣層
24:加熱器層
26:保護層
28:中心孔
30:冷媒導管
32:電阻性加熱元件
34:介電層
36:蒸氣障壁層
40,60:電力產生裝置
42,62:第一導電部份
44,64:第二導電部份
46,66:接面
48:第一歧管
50:第二歧管
68:第三組件
70:電力儲存裝置
72:控制電路
為了可良好地了解本揭示，以下說明透過舉例提供之其各種形態且參照附圖，其中：圖1係適合安裝成環繞一冷媒導管且依據本揭示之教示構成之一熱絕緣裝置的示意橫截面圖；圖2係圖1之部份A的放大圖；圖3係依據本揭示之教示構成之一電力產生裝置的示意橫截面圖；及圖4係依據本揭示之教示構成之一電力產生裝置的一變化例的示意橫截面圖。
在此所述之圖只是用於說明且無論如何不是意圖限制本揭示之範圍。
以下說明在本質上只是示範而不是意圖限制本揭示、應用或用途。應了解的是在全部圖中，對應符號表示相似或對應部件及形貌體。
請參閱圖1，依據本揭示之教示構成的一熱絕緣裝置20包括：一絕緣層22；一加熱器層24，其設置成環繞該絕緣層22；及一保護層26，其設置成環繞該加熱器層24。在一形態中，該絕緣層22可具有一管狀構態，該管狀構態界定將例如一冷媒導管30之一冷物體收納於其中的一中心孔28。在另一形態中，該絕緣層22可具有可包覆該冷物體之一氈或一片構態，且該加熱器層24及該保護層26係設置在與該冷物體相對的該絕緣層22之一外表面上。該冷媒導管30可由例如一熱交換器之一外冷源(未圖示)延伸至一冷卻裝置。舉例而言，該冷卻裝置可整合在一半導體製造設備之一靜電吸盤或一晶圓支持基架中。一冷媒在該冷媒導管30中流動且提供一需要冷卻至一冷卻目標，例如該晶圓。
請參閱圖2，該絕緣層22在一形態中可為一單一單石本體。該絕緣層22可包括：一閉孔多孔質材料，例如聚異氰酸酯(PIMA)、聚胺甲酸乙酯、膨脹聚苯乙烯(EPS)、聚矽氧發泡體、聚乙烯(PE)發泡體；或一開孔材料，例如氣溶膠。若使用一開孔材料，該絕緣層22應經化學處理而變成具疏水性以避免水分滲透。或者，該閉孔多孔質材料及該開孔材料可整合在一複合結構中。例如，可使用包括氣溶膠作為主要絕緣成分及聚胺甲酸乙酯作為一輔助材料之一複合結構。在另一變化例中，可使用熱(例如在此所述之加熱器層24)作為該疏水化學處理之一替代方案。該絕緣層22可包括具有大約3至10mm之一厚度的各種構造。氣溶膠具有一習知發泡材料熱阻之大約三倍的一高熱阻。當使用氣溶膠作為該絕緣層22中之主要絕緣成分時，該絕緣層22之厚度可明顯地減少。
該加熱器層24係設置在該絕緣層22之一外表面上以減少該絕緣層22上，特別是接合該冷媒導管30的該絕緣層22之一內表面上的霜或冰積累。該加熱器層24在一形態中係在大致5至48V間之一電壓下具有小於大約1watt/in2之一瓦特數的一低瓦特數加熱器層。該加熱器層24可具有任一種構造，例如，
一分層加熱器或一蝕箔聚醯亞胺加熱器。一分層加熱器通常藉由累積、沈積、列印或噴塗不同材料在一基材上而包括多層不同材料，即，一介電材料及一電阻材料。在一形態中，該加熱器層24包含一碳纖維或金屬網。在這變化例中，該加熱器層24具有提供熱且亦提供補強之一雙功能。此外，該加熱器層24亦可整合在該保護層26或一可撓外護套內。該加熱器層24通常包括一電阻性加熱元件32及一介電層34。在一形態中，該電阻性加熱元件32係一Inconel®鎳合金或可為一銅合金。該介電層34可為一聚醯亞胺薄膜或一強化聚矽氧橡膠片。當一電壓施加至該電阻性加熱元件32時，該電阻性加熱元件32產生熱以移除在該保護層26之外表面上的霜或冰積累。因為該加熱器層24之主要目的係減少霜或冰積累，所以通常在其他應用中之準確溫度控制或溫度感測在該熱絕緣裝置20中不是一設計動因。
藉由抑制該熱絕緣裝置20上之霜或冰積累，可較佳地保護該絕緣層22不受到水分破壞。因此，相對於間隙之密封普遍用於保護該熱絕緣材料不受水分破壞之一典型結構，比較少著重於可存在該熱絕緣裝置20中之密封間隙。因此，可降低製造成本。
藉由使用該加熱器層24由內側且藉由使用該保護層26由外側來保護該絕緣層22不受到之水分滲透。該熱絕緣裝置更包括：一介電層34，其鄰近該加熱器層24用於電氣地絕緣該加熱器層24；及一蒸氣障壁層36。該蒸氣障壁層36係該熱絕緣裝置20之最外層以減少大氣之水分擴散進入該熱絕緣裝置20之整體絕緣及降低熱阻而產生一熱短路的機會。在另一設計中，該蒸氣障壁層36係在該加熱器層24內側(未圖示)。在這形態中，該蒸氣障壁層36係由金屬材料製成且可作為一擴散劑以增加環繞該保護層26之熱均一性。該介電層34可包括例如：聚矽氧橡膠、聚矽氧橡膠玻璃纖維、橡膠、聚乙烯、聚胺甲酸乙酯、
聚酯、PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(氟化乙烯丙烯)、PFA(全氟烷氧基烷烴)及聚醯亞胺等。該蒸氣障壁層36在一形態中係一鋁層。
請參閱圖3，可使用依據本揭示之教示構成的一電力產生裝置40來提供電力至該熱絕緣裝置20。該電力產生裝置40包括由一第一材料製成的一第一導電部份42及由與該第一材料不同之一第二材料製成的一第二導電部份44。該第一導電部份42與該第二導電部份44係可導電。換言之，在考慮絕對溫度之情形下，該等第一與第二材料具有不同帕耳帖(Peltier)係數或塞貝克(Seebeck)係數。該第一導電部份42接合在該第二導電部份44上以形成一接面46。該電力產生裝置40可設置成鄰近載送一冷流體之一第一歧管48及載送一熱流體之一第二歧管50使得該第一導電部份42被該第一歧管48冷卻且該第二導電部份44被該第一歧管48加熱，藉此在該第一導電部份42與該第二導電部份44之間產生一溫度差。該溫度差使一電壓可由於帕耳帖效應感應產生通過該接面46，使該電力產生裝置40成為一熱電產生器。
該第一歧管48及該第二歧管50可設置在該第一導電部份42與該第二導電部份44外側或可延伸穿過該第一導電部份42與該第二導電部份44。在一形態中，該第一歧管48及該第二歧管50可為已存在該半導體製造設備中用於其他冷卻或加熱目的之歧管的一部份或一延伸部。雖然由該溫度差感應產生之電壓非常低，但該電壓足以容許圖1與2之熱絕緣裝置20的加熱器層24產生足以移除霜或冰積累之熱。
或者，不使用該等第一及第二歧管48、50，該第一導電部份42及該第二導電部份44可設置成鄰近已存在該半導體製造設備中之任何冷組件及熱組件。因此，可使用一現有冷組件來冷卻該第一導電部份42同時執行其主要功能且可使用一現有熱組件來冷卻該第二導電部份44同時執行其主要功能。
請參閱圖4，依據本揭示之教示構成的一電力產生裝置60的一變化例包含：一第一導電部份62，其包括一第一材料；及一第二導電部份64，其包括與該第一材料不同之一第二材料。該第一導電部份62接合在該第二導電部份64上以形成一接面66。該第一導電部份62係設置在載送一冷流體之一第一歧管48上。該第二導電部份64係設置在載送一熱流體之一第二歧管50上。該電力產生裝置60更包括一第三組件68，且一電力儲存裝置70及一控制電路72設置在該第三組件上。
藉由使用該第一歧管48及該第二歧管50在該電力產生裝置60與該第一導電部份62之間產生一溫度差，一電壓感應產生通過該接面66。該感應電壓可儲存在例如一電容之該電力儲存裝置70中。該控制電路72可連接至圖1與2之熱絕緣裝置20以控制由該電力儲存裝置70至該熱絕緣裝置20之電力供應。
可了解的是在不偏離本揭示之範圍的情形下，可使用該等電力產生裝置40、60來供應電力至例如一微控制器或資料收集電子裝置(未圖示)之任何電氣裝置，而非圖1與2之熱絕緣裝置20。
除非在此明白地表示，表示機械/熱性質、成分百分比、尺寸及/或公差或其他特性之全部數值應理解為在說明本揭示之範圍時被該用語「大約」或「大致」修飾。基於包括工業實務；材料、製造及組裝公差；及測試能力之各種原因，這修飾是必要的。
在此使用之用語「A、B與C中之至少一者」應解讀為使用一非專屬邏輯「或」表示一邏輯(A或B或C)，且不應解讀為表示「至少一A、至少一B及至少一C」。
本揭示之說明在本質上只是示範且因此不偏離本揭示之本質的變化例應在本揭示之範圍內。該等變化例不應被視為偏離本揭示之精神與範圍。
20:熱絕緣裝置
22:絕緣層
24:加熱器層
26:保護層
28:中心孔
30:冷媒導管
Claims (20)
- 一種熱絕緣裝置，其包含：一絕緣層，其具有鄰近一冷卻裝置之一第一表面及與該第一表面相對之一第二表面，該絕緣層組配來將該冷卻裝置熱絕緣；一加熱器層，其設置成鄰近該第二表面；及一保護層，其設置成鄰近該加熱器層使得該加熱器層設置在該絕緣層與該保護層之間。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，其中該絕緣層界定一管狀本體，該第一表面係該管狀本體之一內表面且該第二表面係該管狀本體之一外表面。
- 如請求項2之熱絕緣裝置，其中該加熱器層包圍該絕緣層，且該保護層包圍該加熱器層。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，其中該加熱器層係組配來減少在該絕緣層之一外表面上的霜或冰積累。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，更包含設置在該保護層與該絕緣層間之一蒸氣障壁層。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，其中該絕緣層包括選自於由：聚異氰酸酯、聚胺甲酸乙酯、膨脹聚苯乙烯、聚矽氧發泡體、聚乙烯發泡體、氣溶膠及其等之組合構成之一群組的一材料。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，其中該絕緣層包括一單石本體。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，其中該絕緣層包含一複合結構。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，其中該絕緣層包括一氣溶膠材料作為一主要成分。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，更包含設置在該保護層與該絕緣層 間之一介電層及一蒸氣障壁層。
- 如請求項10之熱絕緣裝置，其中該蒸氣障壁層係一鋁材料。
- 如請求項10之熱絕緣裝置，其中該蒸氣障壁層係一聚合物膜上之一金屬薄膜。
- 如請求項10之熱絕緣裝置，其中該介電層係一聚醯亞胺材料或一強化聚矽氧橡膠材料。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，其中該加熱器層包含一聚醯亞胺加熱器。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，其中該加熱器層包含一分層加熱器。
- 如請求項1之熱絕緣裝置，更包含用於供應一感應電壓至該加熱器層之一電力產生裝置，其中該感應電壓係藉由該電力產生裝置中之一溫度差感應產生。
- 如請求項16之熱絕緣裝置，其中該電力產生裝置包括經接合且由不同材料製成之一第一導電部份及一第二導電部份。
- 如請求項17之熱絕緣裝置，其中該第一導電部份與該第二導電部份係設置成鄰近具有不同溫度之外組件，使得該第一導電部份與該第二導電部份之間產生該溫度差。
- 一種熱絕緣裝置，其包含：一管狀絕緣層，其界定用於收納一冷媒導管於其中之一中心孔，該管狀絕緣層組配來將該冷媒導管熱絕緣；一加熱器層，其設置成環繞該管狀絕緣層；一保護層，其設置成環繞該加熱器層； 一介電層，其設置在該加熱器層與該保護層之間；及一蒸氣障壁層，其設置在該加熱器層與該保護層之間。
- 一種熱絕緣裝置，其包含：一管狀絕緣層，其界定用於收納一冷媒導管於其中之一中心孔，該管狀絕緣層組配來將該冷媒導管熱絕緣；一保護層，其設置成環繞該管狀絕緣層；一加熱器層，其設置成環繞該保護層；一介電層，其設置在該加熱器層與該保護層之間；及一蒸氣障壁層，其設置在該加熱器層與該保護層之間。
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