[发明专利]低温制冷系统

说明书

本专利申请要求已提交的并在审查中的美国临时专利No.60/207921的优先权。

相关专利(作为参考结合于此)

美国临时专利申请No.60/214560

美国临时专利申请No.60/214562

技术领域

本发明涉及一种深度低温制冷系统的加热/除霜循环，尤其涉及一种改进的结合除霜供应回路和除霜返回旁通回路的加热循环，该回路用于优化加热/除霜循环，防止制冷过程过载(过压)从而使除霜循环连续运行，和缩短加热/除霜和制冷运行模式之间的恢复周期，以及用于受控流动，其中在开环模式下制冷或加热期间的温度变化率是受控制的。

背景技术

制冷系统从二十世纪初就已经存在，当时开发出了密封的制冷系统。从那时起，制冷技术上的改进已经证明了制冷系统可用于家用和工业装置。尤其是，当今的低温制冷系统的工业用途主要在生物制药领域、低温电子、涂渍操作和半导体制造领域。在这些许多应用中，制冷系统不但需要提供低温而且要承受系统被带入大大高于0℃的除霜循环。开发这种可以在该温度范围内运行的制冷系统并且拥有相关知识产权的公司一直可以获得丰厚利润。

提供温度低于-50℃的制冷有许多重要应用，尤其是在工业制造和试验应用中。本发明涉及提供的制冷温度范围从-50℃到-250℃的制冷系统。包含在该范围的温度是指名称不同的低温、超低温和深冷。对本专利来说，术语“深度低温”或非常低温度是指-50℃到-250℃的温度范围。

在许多在真空条件下实施的制造过程中，因为各种原因，需要加热系统的元件。这种加热过程就是除霜循环。加热会提高制造系统的温度，使系统各部件接通大气并且通风而不会引起空气中水分的凝结。整个除霜循环和随后的产生深度低温的恢复时间越长，制造系统的产量越低。能快速除霜和快速恢复真空室内低温抽气表面的冷却是有益的。所需要的是一种提高真空作业的产量的方法。

许多真空作业都需要这种深度低温度冷却。主要用途是为真空系统提供水蒸气低温泵。深度低温表面以高于水蒸气释放速率的速率捕获和保持水蒸气分子。有效效果是迅速并且显著地降低容器的水蒸气分压力。另一个应用是关于热辐射屏蔽。在该应用中，大的面板被冷却到深度低温。这些冷却了的面板截断了来自真空室表面和加热器的辐射热。这可以减少被冷却表面的热负荷，该被冷却表面正被冷却到低于面板的温度。又一个用途就是去除被制造的物体上的热量。在某些情况下，该物体是用于计算机硬盘驱动器的铝盘，用于集成电路的硅片，或者用于平板显示的材料。在这些情况下，该深度低温提供一种比其他装置更快地从这些物体除去热量的装置，即使工序终了物体的终温可能比室温还高。另外，包括硬盘驱动媒体，硅片，或平板显示材料的某些应用涉及材料在这些物体上的沉淀。在这些情况中，因为沉淀产生的热量从物体上释放出来，当物体要保持在规定温度时必须要除去这些热量。冷却例如压板这样的表面是从这种物体中除去热量的典型装置。在所有这些情况下，应当明白的是，当提供深度低温的冷却时，蒸发器表面是制冷剂除去这些用户应用产生热量的场合。

在许多制冷应用中，需要长期的高温以顾及到被加热物体有缓慢响应时间。对于延长的除霜时间，常规系统会因范围从为300到500psi的高的排气压力而超负荷并停止工作。这种系统的压缩机的排气压力需要被限制，以防止过高的排气压力，否则，下游的部件就会过压。通常，在应有的位置设置安全开关或压力释放阀以防止排气压力过高；但是，这限制了除霜循环。所需要的是一种增加制冷系统的除霜时间而不超过其工作极限的方法。

在许多应用中，可能需要逐渐加热或冷却。比如，半导体晶片制造过程中的陶瓷卡盘中产生的迅速温度变化不能超过某种极限，该极限根据卡盘具体材料特性而变化。如果该速率过高，卡盘就会破裂。所需要的是一种提供可调节的加热和冷却系统的方法。

常规的深度低温制冷系统的除霜时间通常为2到4分钟，对于大盘管多到7分钟。对于这些除霜时间，制冷系统因高的排气压力而受到限制，因此在制冷继续之前需要5分钟的恢复时间，因此延长了整个除霜循环。所需要的是一种缩短制冷系统的整个除霜循环的方法。