CN102200217A - 用于气体供给和使用的***和方法 - Google Patents

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K.L.伯格斯
C.萨里伊安尼季斯
M.D.麦凯恩
K.R.佩斯
H.朱
H.E.法拉
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Abstract

本发明公开了用于气体供给和使用的***和方法。本发明涉及气体蒸发和供给***，其包括（a）适于盛装大量的液化气体的容器；（b）布置在容器上或容器附近的至少一个热源，以向液化气体供给能量或从液化气体移除能量；以及（c）热源控制器，其适于使用工艺变量反馈用于动态调节所述热源并且保持和调节气体输出。所述工艺变量反馈源自至少两个工艺变量的级联顺序控制。工艺变量包括压力、温度和/或气体输出流率。本发明还涉及一种用于以受控的方式将液化状态的气体（例如，超高纯度气体）输送至使用现场（例如，半导体制造设备）的方法。本发明提供对于用户要求的变化的较快加热***响应、较长的加热器寿命、以及改进的可靠性。

Description

用于气体供给和使用的***和方法
技术领域
本发明涉及气体（例如，超高纯度气体）蒸发和供给***以及以受控的方式将液化状态的气体输送到使用现场（例如，半导体制造设备）的方法。该***和方法使用工艺变量反馈（即，温度、压力和/或气体输出流率）用于动态调节热源以及保持并调整至使用现场的气体输出。
背景技术
电子工业的增长已经产生对于超高纯度（UHP）气体的大量供给要求。诸如氨和硅烷的分子用于电子工业中用于不同应用。例如，氨是用于氮化镓膜生长的金属有机化学气相沉积（MOCVD）的主要气体之一。对于特定气体（例如，NH3）的流率要求由于在300 mm的LCD和LED制造中的发展而增加。因此，用户从常规气缸气体传输***转换为大流量特殊材料气体供给（BSGS）***。
在这种BSGS***的一个具体示例中，诸如氨的低蒸汽压力气体以液态形式存储在容器中，该容器具有数百磅或超过万磅的容量，例如ISO（国际标准化组织）容器、罐车等等。在大容量箱容器中的液化分子在用户现场通过一些加热机构被加热和蒸发，且蒸发气体以设计流率和高纯度被输送。蒸发产物所需的加热功率取决于用户要求（例如气体的供给流率）和诸如大气温度的周围环境。用户制法（customer recipe）所需的供给流率通常在正常操作期间显著地变化。
被输送气体的纯度是BSGS***的重要因素。UHP气体必须满足对于湿气、金属含量和颗粒等的严格规定。UHP气体通常具有对于任何易挥发分子的少于100 ppb（十亿分之几）的杂质浓度。颗粒浓度（例如，大于0.3微米的尺寸）通常小于1/升的气体，金属杂质通常小于10 ppb原子单位每元素。
为了确保可靠的性能，重要的是动态调节加热功率，以适应用户制法。未能正确地调节加热功率可导致供给压力、流率和纯度的破坏。此外，诸如环境温度的一些周围环境参数也可影响一些用户要求所需的加热功率。
用于电子工业中的当前液化气体BSGS加热***主要基于来自于单个工艺参数（温度或容器压力）的反馈操作。例如，一些***基于加热器温度设定点操作。例如，参考美国专利No. 6,614,009。加热器温度设定点通常由操作员直接输入。在许多情形中，所需的温度设定点过高或过低估计，且***通过连续地接通和断开或者未能满足所需的产物流率而缺失性能。在其它***中，液化气体的温度通过间接测量压力并基于蒸汽压力/温度饱和曲线算法相关而得到，但是加热器温度未被考虑到主控制环中。例如，参见美国专利No. 6,363,728。仍在其它***中，加热功率基于温度和压力反馈两者被控制。例如，参见美国专利No. 6,581,412。
仅使用温度和/或压力作为反馈参数，上述***难以调节并保持适应用户产物提取率所需的最小加热功率和温度。通过仅使用温度和/或压力作为反馈参数，同样难以自动地启动并上升（ramp up）该***。
因此，存在对于改进可靠性的UHP液化气体大容量容器加热***的需求。特别地，存在如下需求：确保对用户要求和周围环境的变化的可靠加热***响应时间；导致更少的用户处理停机次数以及更少的加热器更换。
发明内容
本发明部分地涉及一种气体蒸发和供给***，包括：
a. 容器，所述容器适于盛装大量的液化气体；
b. 布置在容器上或容器附近的至少一个热源，以向液化气体供给能量或从液化气体移除能量；和
c. 热源控制器，所述热源控制器适于使用工艺变量反馈用于动态调节所述热源并且保持和调节气体输出，所述工艺变量反馈源自至少两个工艺变量的级联顺序控制。
本发明还部分地涉及一种用于以受控的方式将液化状态的气体输送至使用现场的方法，所述方法包括：
（i）提供容器，所述容器在其中盛装大量的液化气体；
（ii）提供定位在容器上或靠近容器的至少一个热源，以向液化气体供给能量或从液化气体移除能量；
（iii）提供热源控制器，其适于使用工艺变量反馈来动态调节所述热源并且保持和调节气体输出，所述工艺变量反馈源自至少两个工艺变量的级联顺序控制；
（iv）通过所述热源控制器使用所述工艺变量反馈以调节所述热源从而控制所述气体流出所述容器的流量；以及
（v）将所述气体输送到所述使用现场。
本发明提供许多优势。本发明提供一种控制***，其动态调节UHP液化气体大容量容器加热***的加热功率，以适应动态用户要求模式和周围环境参数。本发明提供对于用户要求变化的快速***响应、较长的加热器寿命、改进的可靠性以及最小的操作员干预。
与仅使用温度和/或压力作为反馈参数的现有技术相比，本发明的控制策略可对于用户工具要求的任何变化更灵敏地作出反应。根据本发明，使用来自于温度、容器压力和/或气体输出流率测量的反馈动态调节加热功率。气体输出产物流率的任何变化将立即影响由质量平衡引起的容器压力，且然后将通过蒸汽/液态相均衡和热传递而间接影响液化气体的温度，这是较缓慢的过程，对于诸如ISO容器的大型容器来说尤其如此。因此，通过根据本发明将压力和/或流率控制级联温度控制，产物提取率的任何变化被立即捕获并且允许对于用户要求变化的快速响应。快速***响应确保用户处理的不间断操作。
在上升过程或以最小操作员干预的在线操作期间，本发明还允许加热器运行在所需的最小功率下。本发明的两级和三级级联顺序控制对于用户要求更灵敏地响应，且功率输出更紧密地匹配在要求流率下蒸发产物所需的能量。这避免了过热（例如，加热器烧坏），并且有助于改进加热器使用寿命和可靠性，因为加热器寿命通常在以较高功率运行时降低寿命。没有使罐过热的另一优势在于，避免在罐上的热点和核态沸腾，所述核态沸腾会增加蒸汽流中的湿气杂质。
本发明另一独特的特征是能够自动启动并上升至全速率，这通过使用两级或三级级联顺序控制能够确定在用户要求的动态变化期间（例如，启动或上升）所需的最小功率而成为可能。由于最小操作员干预，工厂流率控制器被放置到位，以操纵***温度、压力和流量从而将流量从其初始状态增加至100%的用户全流率。由于现有技术并未能够对用户要求精确地响应，可能需要更多的操作员干预，这增加了过度调节或欠调节加热功率的概率。
改进的***可靠性导致更少的用户处理停机次数和更少的加热器更换（即，更少的加热器烧坏）。本发明优于在BSGS***上存在的控制策略，在于提供在用户要求的动态变化期间所需的最小功率。这通过减少由不足蒸汽产物供给引起的***停机概率来降低用户的处理成本。此外，由于本发明能通过将加热器以所需的最低功率运行而减缓加热器降级，也减少了用户的BSGS持有成本。
附图说明
图1是用于本发明的气体蒸发和供给***的热源控制器的示例的示意性图示。
具体实施方式
如本文所使用的，超高纯度（UHP）是指这样的气体或液体，其具有小于大约十亿分之100、优选地小于大约十亿分之50、且更优选地小于大约十亿分之10的分子杂质以及具有小于大约万亿分之1000、优选地小于大约万亿分之500、以及更优选地小于大约万亿分之10的金属杂质。更优选地，UHP气体和液体具有小于大约十亿分之10的分子杂质以及小于大约万亿分之10的金属杂质。
如上所述，本发明部分地涉及气体蒸发和供给***，其包括：
（a）容器，所述容器适合于盛装大量的液化气体；
（b）至少一个热源，所述至少一个热源布置在容器上或在容器附近，以向液化气体供给能量或者从液化气体移除能量；和
（c）热源控制器，所述热源控制器适于使用工艺变量反馈来动态调节所述热源并且保持和调节气体输出，工艺变量反馈源自至少两个工艺变量的级联顺序控制。
本发明经由具有两级或三级反馈（即，温度、压力和/或气体输出流率）的级联顺序控制提供对于UHP液化气体大容量容器加热***的可靠控制。级联顺序控制的基本原理对于两个和三个反馈变量来说都是大致相同的。本发明改进了对于用户要求和周围环境中的变化的***响应时间。本发明还通过最小化维持不间断气体供给所需的加热器温度来优化加热器可靠性。热源被动态调节，以提供正好足够功率以在用户所需的流率下蒸发液化气体。
如本文所使用的，“动态地”和“动态”是指连续地或连续。例如，“动态调节”或“动态调整”意味着连续地调节或调整热源，以提供正好足够功率以在用户所需的流率下蒸发液化气体。动态调节和/或调整通过使用来自于温度、容器压力、和/或气体输出流率测量的反馈级联顺序控制来实施。气体输出产物流率中的任何变化将立即影响由质量平衡引起的容器压力，且然后将通过蒸汽/液体相均衡和热传递补而间接影响液化气体的温度，这是较缓慢的过程，尤其对于诸如ISO容器的大型容器来说如此。因此，根据本发明通过级联压力和/或流率控制与温度控制，产物提取率中的任何变化被立即捕获并且允许对于用户要求变化的快速响应。这种快速***响应确保用户处理的不间断操作。
在在线操作期间，加热功率经由具有两级或三级反馈的级联顺序控制动态调节。第一级控制基于温度，第二级基于容器压力，且第三级基于气体输送流率，通过级联顺序控制，意味着主控制器的输出用于操纵次级控制器的设定点。例如，设定点由主控制器的操作员设定，主控制器基于该设定点及其工艺变量计算其输出，并且来自于主控制器的输出设定次级控制器的设定点。在另一示例中，可具有两个主控制器（A和B），每个控制不同的工艺变量，其相应设定点由操作员设定。来自于A和B的输出被比较，并且基于一定标准只选择这些输出之一，以设定次级控制器的设定点。在本发明中所使用的级联顺序控制提供对于用户要求变化的更快***响应、更长的加热器寿命（例如，更少的加热器烧坏）、改进的可靠性、以及最小的操作员干预。如本文所使用的，“在线”操作是指操作气体正从容器流动到使用现场的气体蒸发和供给***。
根据本发明，加热功率经由具有两级或三级反馈（温度、压力和气体输出产物流率）的级联顺序控制被动态调节。经验数据和一个或多个算法中至少一种被提供，其将加热功率调节与反馈参数联系起来。通过使用两级或三级反馈的控制，加热功率被动态调节，以提供正好足够的功率从而在用户所需的流率下蒸发该产物，并且因此可最小化加热器温度。通过使用反馈控制方案，实现温度控制、压力控制以及气体出口流率控制。
在一个实施例中，经由使用包含液化气体的加热容器的温度和压力的级联顺序控制，加热器的加热功率被控制。温度控制器（例如，比例-积分-微分（PID）控制器）调节加热功率，以最小化温度设定点和温度反馈信号（例如，热电偶所测量的加热器温度）之间的差。温度控制器与压力控制器处于级联关系，所述压力控制器采用容器压力反馈信号并且基于容器压力与预定压力设定点之间的差计算输出，所述输出采用温度控制器的温度设定点的形式。如此调节加热功率，使得容器压力可保持在预定压力设定点。
在可在线操作的两级级联控制（例如，温度和压力）的情形中，温度设定点由压力控制器自动调节且不需要操作员输入。操作员仅需要设定压力设定点，其由用户需求和在气体供给***与使用点之间的传输线路上的蒸汽压降来确定。例如，如果用户在使用点需要130 psig的压力，且传输线路上的蒸汽压降是大约5 psig，那么可使用150 psig的压力设定点。虽然135 psig的压力设定点将是足够的，但是期望在上游具有较大压力并且在使用点将其调低。
在可在线操作的三级级联控制（例如，温度、压力和流率）的情形中，温度设定点也不需要操作员输入。压力设定点按照针对两级级联控制的上述相同方式确定。流量设定点可需要或可不需要操作员输入。例如在下述实施例所描述的图1中，其中当用户要求变化时，流量控制器调节其输出信号，所述输出信号与容器压力控制器输出信号连续地比较，操作员可根据用户需要的平均流率设定流量设定点。在下文描述的另一实施例中，其中FIC仅在用户要求猛增时耦合，不需要流量设定点。
为了确保稳定和不间断的操作，期望将容器中的蒸汽相的压力（供给压力）保持在一定值。供给压力取决于液体相的蒸发与蒸汽提取之间的平衡。来自于BSGS***的气体使用模式通常要求取决于用户制法和处理而改变蒸汽提取率。由于蒸发率取决于加热功率，功率输出和蒸汽提取必须一致，以便保持容器中的稳定压力。当对应于一定功率输出的蒸发率等于蒸汽提取率时，可保持该压力并且在该情况下的蒸汽提取率被称为可持续流率。
然而，当蒸汽提取率增加且功率输出保持恒定时，蒸发不能跟上蒸汽提取并且供给压力将减少，且反之亦然。压力变化率反映蒸发/功率输出和蒸汽提取率之间的不平衡程度。因此，通过使用经验数据和一个或多个算法中的一种根据压力变化率和/或蒸汽提取率来调节功率输出，可将供给压力保持在期望值并且***可以稳定的方式运行。
在图1中示出了控制逻辑，其是用于本发明的气体蒸发和供给***的热源控制器。在图1中所述的***的操作期间，经由三级级联顺序控制调节加热功率。第一级控制基于温度，第二级基于容器压力，且第三级基于气体传输流率。第一级控制（TIC 1和SCR-1）调节加热功率，以保持加热元件上的温度在某设定点。第二级控制（PIC）感测由用户要求和/或周围环境（例如环境温度）的变化引起的容器压力的任何变化、并且基于经验数据或某预设算法动态调节温度设定点。第三级控制（FIC）包括产物流量控制器，其感测用户流率并且基于测量流率确定新的温度设定点。
在一个实施例中，FIC仅在用户要求猛增（即，此时用户要求的流率超过额定正常流量能力经过相对短的时间段）时耦合。在该情形中，流量计测量用户流率一段时间，且FIC增加PIC的压力设定点一定量，所述量从在超过额定正常流量能力的时间段期间测量平均流率偏差的幅值计算得到。例如，PIC设定点的增加可与超过额定正常流量能力的测量流率偏差成比例。由此耦合FIC有助于增加加热功率输出并且因此在暂时猛增要求期间保持容器压力，这可减少供给***停机次数。在该实施例中，TIC、PIC和FIC可使用标准比例-积分-微分（PID）控制器。在启用所有三级级联控制时，使用比率控制器（RIC），并且RIC操纵PIC和FIC的设定点。
可使用替代性方法，以帮助最小化加热器功率同时保持流量。当用户要求变化时，流量控制器调节其输出信号，该输出信号与容器压力控制器输出信号连续地比较。这两个信号然后被比较，且这两个信号的较低值然后将表示补偿用户要求变化所需的热量的量。这通过调节温度控制器设定点来完成。
除了使用标准PID控制器来实现三级控制以外，本发明可使用一个或多个替代性控制算法/机制。
参考图1，示出了级联顺序控制，其施加三级（温度、压力和气体输送流率）控制以调节施加到含液化气体的ISO容器上的加热器（HTR-1和HTR-2）功率。在该情形中，主控制器是压力控制器（PIC）或流率控制器（FIC），次级控制器是温度控制器（TIC）。操作员可设定计算相应输出的PIC和FIC的设定点。PIC和FIC的输出被比较且较小的输出用于设定TIC的设定点。
参考图1，多个加热区域中的一个（在该情形中是“区域1”）具有两个加热器，每个加热器测量其加热区域中的温度T1和T2。在同一区域中的两个加热器共用一个PID控制器（TIC 1）。T1和T2中较大的一个被输送到TIC 1中作为工艺变量。使用T1和T2中较大的一个作为TIC 1中的工艺变量确保：在加热功率不均匀地从同一区域中的两个加热器散开时，在其加热区域中具有较高温度的加热器未被过热，藉此避免加热器烧坏。
在正好将容器在线放置之前的初始容器加压和暖热期间，仅真正需要大容量容器的安装功率的大多数百分比。一旦容器在线，仅需要小部分安装功率，以保持用户的可持续流率需求。由于环境温度的变化以及在峰值流率期间，有时需要附加功率。在需要附加功率的该情形期间，***控制器将感测容器压力的减少并且将温度设定点增量地增加至正好足以实现设定点。一旦稳定该状况，该***控制器将自动再调节并且减少加热器温度设定点。该循环将继续，直到基于低水平和低权重设定点耗尽容器为止，此时将出现自动转换至备份供给。
当液化气体的新容器到达用户现场时，容器压力是在环境温度下气体的均衡压力，其通常小于将蒸汽传输到使用点所需的压力。在容器通过加热建立压力期间，优选地存在初始启动过程。可通过两级级联顺序控制（即，温度和压力）来实现初始启动。如上所述，温度控制器设定点不需要操作员输入作为在线操作设定点。压力控制器设定点被设定在用于在线操作的相同值，使得容器被暖热至在启动结束时的操作压力。
在启动期间，首先根据大于在使用点的用户压力需求加上在容器与使用点之间的压降的数值设定目标罐压力。例如，如果用户的工具需要80 psig的NH3供给，且在从容器至使用点的所需流率下NH3的压降是20 psig，那么在启动期间的目标罐压力可设定在大于100 psig的任何值。在该示例中，大于最小值（在该示例中100 psig）的目标罐压力将改进在较大功率消耗下的可靠性。一旦设定目标罐压力，可使用两级级联顺序控制（即，温度和压力）来手动或自动控制***启动。
当使用手动启动时，加热功率可被手动设定为安装功率的固定百分比或者可在启动阶段手动调节。容器被加热，直到压力达到目标罐压力为止。当使用用于自动启动的两级级联顺序控制时，操作员可设定在目标罐压力下的压力设定点，且***将自动调节加热功率并且将罐压力升高至目标压力。对于根据本发明的启动/暖热，使用两级级联顺序控制。
本发明能够自动启动并且上升至全流率，这通过使用两级或三级级联顺序控制能够确定在用户要求的动态变化期间（例如，启动或上升）所需的最小功率来实现。由于最小操作员干预，工厂比率控制器被放置到位，以操纵***温度、压力和流量，从而将流量从其初始状态增加至100%的用户全流率。现有技术不具有精确地响应用户要求的相同能力，且因此可能需要更多的操作员干预，这增加了过度调节或欠调节加热功率的可能性。
本发明还允许加热器以在具有最小操作员干预情况下的上升过程或在线操作期间所需的最小功率运行。本发明所使用的两级和三级级联顺序控制更灵敏地响应用户要求，且功率输出更紧密地匹配在要求流率下蒸发产物所需的能量。这避免了过热并且有助于改进加热器使用寿命和可靠性，因为加热器寿命在以较大功率运行时通常降低。不使罐过热的另一优势在于，避免了在罐上的热点和核态沸腾（这将增加蒸汽流中的湿气杂质）。
用于本发明的热源可以是用于气体容器的任何常规热源。例证性热源包括，例如定位在容器上的多个加热元件，以将能量供给到液化气体中；定位在容器上或容器附近的陶瓷加热器，以将能量供给到液化气体中；定位在容器上的加热夹套，以将能量供给到液化气体中；或定位在容器上或容器附近的热交换器，以将能量供给到液化气体中或从液化气体移除能量。关于容器上的多个加热元件，其可被划分到多个加热区域中，每个加热区域具有至少一个加热元件。同样，可编程逻辑控制器可交错地致动加热元件。
与仅使用温度和/或压力作为反馈参数的现有技术相比，本发明的控制策略可使用来自于温度、容器压力、和/或气体输出流率测量值的反馈更灵敏地对于用户工具要求的任何变化作出反应。美国专利No. 6,614,009、No. 6,363,728和No. 6,581,412中的公开内容以引用的方式结合到本文。
如上所述，本发明还部分地涉及一种用于将液化状态的气体以受控的方式输送到使用现场的方法，所述方法包括：
（i）提供容器，所述容器在其中盛装大量的液化气体；
（ii）提供定位在容器上或靠近容器的至少一个热源，以向液化气体供给能量或从液化气体移除能量；
（iii）提供热源控制器，其适于使用工艺变量反馈来调节热源并且保持和调节气体输出，工艺变量反馈源自至少两个工艺变量的级联顺序控制；
（iv）通过热源控制器使用工艺变量反馈以调节热源从而控制容器的气体流出；以及
（v）将气体输送到使用现场。
用于本发明的容器可以是适合于存储和输送超高纯度气体的任何大容量容器（例如，ISO容器、管道拖车或罐车）。其它合适大容量容器包括吨级容器（ton container）或桶。如本文所使用的，“大容量容器”是指盛装大量液化气体的容器，即具有至少大约450升的水容量的容器。容器可由例如316型不锈钢、耐蚀耐热镍基合金（Hastelloy）、镍或不与超高纯度气体反应并且可耐受真空和高压的涂层金属的材料制造而成。容器还可包括导管，其第一端连接到容器而第二端设置成传输液化气体（大致气态形式）至使用现场。超高纯度气体可在输送到使用现场之前传送通过过滤装置。
液化气体优选地是超高纯度气体。然而，液化气体可以不是超高纯度气体。例如，对于氨，可期望使用较低级别，因为终端用户在BSGS氨***下游可具有使用点纯化器。例证性的液化气体包括，例如氨、氯化氢、溴化氢、氯、和全氟丙烷等等。
本发明提供多个优势。本发明描述用于可靠UHP气体供给和保持专用现场库存的方法和***。具体地，本发明采用一个或多个ISO容器，藉此蒸发UHP可被可靠地供给到使用现场，例如半导体制造设备。
在正常操作期间，加热功率经由具有三级反馈的级联顺序控制被调节。第一级控制基于温度，第二级基于容器压力，且第三级基于气体输送流率。
本发明包括确保将UHP气体可靠地供应给用户的方法。在实施例中，供给方法包括直接装运和在用户现场维护一个或多个大容量液态气体ISO容器。
根据本发明，提供一种将UHP气体供应给大用户从而导致用户的专用UHP气体库存的方法，包括将ISO容器中的UHP液体直接供应给用户并且保持在生产现场的存储容量。本发明消除了对于气体转换填充（transfill）和管道拖车的需要。从用户的角度看，本发明的方法内在地更为可靠。
根据本发明，使用一个或多个ISO容器基于几个理由是有益的。例如，ISO容器允许以宽范围的流量供给UHP气体，保持在用户现场的附加库存，以及将UHP气体直接供给到使用现场。
大容量液体ISO容器可盛装大量的UHP液体或超临界气体，例如1800-11000加仑的UHP液态气体。有利的是供给处于液态或超临界形式的UHP气体，因为更大数量（超过五倍分子数）可作为UHP气态材料的相等容积被运输。较大容积的UHP气源显著地减少了更换的频率、相关劳动以及污染的风险。同样，实施本文所描述的供给方法提供在UHP气体使用率方面的灵活性，并且允许用户长时间段有效地管理库存。
UHP气体可输送到各种使用现场，例如半导体制造现场和其它工业应用现场。当使用现场是半导体制造现场时，超高纯度气体例如可用作载体气体，用于将有机金属前体引入到化学蒸汽或原子层沉积腔中。超高纯度气体还可用于LCD工艺中的干式蚀刻。超高纯度气体还可用于背侧冷却，以控制硅层蚀刻过程的速率和均匀度。超高纯度气体还可用于检查泄漏和管线清洗。
可使用监测***以监测UHP气体存储罐和工艺变量反馈，即温度、压力和气体出口流率。所述监测***可包括监测单元，例如遥测装置，其收集工艺变量反馈。如果在供给***或ISO容器中出现任何工艺变量反馈的打乱状况，那么可调节热源以便试图再建立容器压力或温度，使得产物提取率中的任何变化被立即捕获，从而允许对用户要求的变化快速响应。
本发明的气体蒸发和供给***可使用（i）一个或多个温度测量元件，以向热源控制器提供反馈；（ii）一个或多个压力测量元件，以向热源控制器提供反馈；以及（iii）一个或多个气体输出流率测量元件，以向热源控制器提供反馈。一个或多个温度测量元件可包括热电偶，一个或多个压力测量元件可包括压力传感器，且一个或多个气体输出流率测量元件可包括流率量计或表。
控制***和方法能可选地用于UHP气体输送***的操作中，所述UHP气体输送***配置成能够自动、实时优化和/或调节操作参数，即工艺变量反馈，以实现期望或优选操作状况。合适的控制机构是本领域已知的，且包括例如可编程逻辑控制器（PLC）或微处理器。
能可选地使用计算机实施***，以控制供给速率、ISO容器的加热和冷却、对于背压和泄压阀的设置等等。计算机控制***能够具有调节不同参数的能力，以试图优化至用户现场的UHP气体输送。能实施该***以自动调节参数。可使用常规硬件或软件实施的计算机和/或电子控制***以及各种电子传感器来实现UHP气体输送***的控制。控制***可配置成控制供给速率、ISO容器的加热和冷却、对于背压和泄压阀的设置等等。
UHP气体输送***还可包括传感器，其用于测量多个参数，例如供给速率、ISO容器的加热和冷却、背压和泄压阀等等。控制单元可连接到传感器以及入口开口和出口开口中的至少一个，用于根据测量参数值贯穿***传送UHP气体。
计算机实施***能可选地是UHP气体输送***的一部分或联接到UHP气体输送***。该***可配置或编程以控制并调节***的操作参数以及分析和计算值。计算机实施***可发送和接收控制信号，以设置和控制***的操作参数。计算机实施***可相对于UHP气体输送***远程地定位。其还可配置成经由直接或间接手段（例如，通过以太网连接或无线连接）从一个或多个远程UHP气体输送***接收数据。控制***能远程操作，例如通过互联网操作。
UHP气体输送***的部分或全部控制可在没有计算机的情况下实现。通过物理控制，可实现其它类型的控制。在一个示例中，控制***可以是由用户操作的手动***。在另一示例中，用户可如上所述向控制***提供输入。合适的压力量计可用于监测供给速率（例如，UHP气体输送速率）。空气压力量计可具有合适的截止阀，当速率超过预定值时，所述截止阀可被预设以关掉至用户的UHP气体供给。
热源控制器用于操作本发明的气体蒸发和供给***。如上所述，本发明的控制策略可对于用户工具要求的任何变化灵敏地作出反应。根据本发明，使用来自于温度、容器压力和/或气体输出流率测量的反馈，调节加热功率。气体输出产物流率的任何变化将立即影响由质量平衡引起的容器压力，且接着将通过蒸汽/液体相均衡和热传递间接影响液化气体的温度，这是较缓慢的过程，尤其对于如这种ISO容器的大型容器来说如此。因此，根据本发明通过将压力和/或流率控制与温度控制级联，产物提取率中的任何变化被立即捕获，并且允许对于用户要求的变化快速响应。快速***响应确保用户处理的不间断操作。
热源控制器可包括使用经验数据和一个或多个算法中的至少一种。算法可确定调节工艺变量和/或用于调节工艺变量的时间，并接着基于所述算法操作热源。该算法确定被供给的工艺变量应当变化的速率和/或基于***的总体操作应当变化该速率的时间。所选择的算法基于提供***的期望操作，特别地对于用户要求的变化的可靠且快速的响应。热源控制器可采用经验数据和一个或多个算法中的一种，以基于测量压力、温度和气体输出流率反馈确定要输送到容器中液化气体的能量。
用于本发明的PID控制方案以其三个校正项命名，其求和构成操纵变量（MV），因此：
Figure 201110068974X100002DEST_PATH_IMAGE002
其中，Pout、Iout、和Dout是来自于如下所述三个项中每一个的PID控制器的输出的贡献值。
比例项（有时称为“增益”）实现与当前误差值成比例的输出的变化。通过将误差乘以常数Kp（称为比例增益）可调节比例响应。比例项如下给出：
Figure 201110068974X100002DEST_PATH_IMAGE004
其中，Pout：输出的比例项；Kp：比例增益，调整参数；e：误差=SP-PV；以及t：时间或瞬时时间（当前）。
积分项如下给出：
其中，Iout：输出的积分项； Ki：积分增益，调整参数；e：误差=SP-PV； t：时间或瞬时时间（当前）；以及τ：伪积分变量。
微分项如下给出：
Figure 201110068974X100002DEST_PATH_IMAGE008
其中，Dout：输出的微分项； Kd：微分增益，调整参数；e：误差=SP-PV； 以及t：时间或瞬时时间（当前）。
在本发明中，可使用半经验压力-温度算法。加热功率（PO）是加热器的温度设定点（Ts）的函数，所述温度设定点是主操作参数。
Figure 201110068974X100002DEST_PATH_IMAGE010
因此，第一级控制是调节温度设定点，以实现期望加热功率。方程（1）可以是线性或多项式函数。
第二级控制包括来自于容器压力的反馈，且因此需要建立Ts与供给压力变化率之间的关系。一旦在蒸汽提取率中存在变化，那么供给压力将变化，且压力变化率（dp/dt）和在这种变化之前的加热器温度设定点（Ts *）将指示保持供给压力所需的新温度设定点（Ts *+ΔTs）。ΔTs取决于在容器中液化气体的跟部高度（h）。该关系可表述为下述等式：
Figure 201110068974X100002DEST_PATH_IMAGE012
其中，g1是表示ΔTs对上述参数依赖度的函数，且h是跟部高度。方程（2）可以是dp/dt、h和Ts *的个体线性或多项式函数的乘积。在具体示例中，方程（2）是dp/dt、h和Ts *的个体线性函数的乘积。在该情形中，方程（2）具有如下形式：
Figure 201110068974X100002DEST_PATH_IMAGE014
其中，c1、c2、c3、c4是***规定系数。在控制***的设计中，这样的系数可通过经验数据来获得。dp/dt可取决于具体应用经过预设时间段（例如，1分钟）采集，且这种时间段在控制***的设计期间可被编程。
在本发明中可使用基于流量的前馈控制。第三级控制还可包括来自于蒸汽提取流率的反馈。根据能量平衡，期望加热功率应当被动态调节，以在任何蒸汽产物提取率fv下平衡蒸发产物所需的能量，即：
Figure 201110068974X100002DEST_PATH_IMAGE016
其中，ΔH是液化气体的蒸发热量，fv是蒸汽产物流率。可通过组合方程（3）和（1）得到根据不同产物提取率用于调节加热器温度设定点的算法。
Figure 201110068974X100002DEST_PATH_IMAGE018
其中，f(Ts)是如方程（1）所示的相同函数。下述示例例证了控制***对于用户流量变化的一个情形的反应。***从在加热器温度设定点Ts *和***压力设定点ps下的稳定蒸汽产物输出（即，从加热器至液态产物的能量输入等于在稳定流率下蒸发液态产物所需的能量）开始，且在时间t=0时经历用户蒸汽产物流率的增加。在t=0之后，由于来自于加热器的能量输入小于在新流率下蒸发液态产物所需的能量，容器中的压力将减少，其可由压力指示器检测到。如果ht=0是在时间t=0时的跟部高度（其可直接通过液位指示器测量或者通过刻度尺间接测量），那么对应于新蒸汽产物流率的加热器温度设定点ΔTs的调节可通过方程（2）来计算。同时，新产物流率也通过流量表来测量，且使用方程（4）计算新加热器温度设定点。然后，从方程（4）计算的新加热器温度设定点与从方程（2）计算的新加热器温度设定点（即，Ts *+ΔTs）比较，且较小值将应用到加热器。
控制***可配置成具有解耦较低级控制的自由度，且用户可选择仅耦合第一级（温度）或前两级（温度和压力）控制。在***调整或维护期间或者当用户要求的模式不包括可证明添加第三级控制是合理的大变化时，这种简化形式的控制可能是期望的。如果仅耦合第一级控制，用户可根据用户气体要求和在气体流率与温度设定点之间的已知关系（例如，方程（1））来手动设定加热器温度和/或容器表面温度的温度设定点。然而，对于在用户气体要求的任何动态变化，需要手动调节温度设定点。如果仅耦合前两级控制，用户可根据气体的所需供给压力和气体在容器下游运送期间的压力损失来手动设定压力设定点。
考虑到容器类型、加热器类型等等，其它形式的算法也可用于本发明。取决于诸如容器类型和环境温度的因素，用于三级控制（方程（1）、（2）和（4））的上述算法可具有不同的形式。例如，上述方程（2）将温度设定点与容器压力和跟部高度联系起来，其通常可应用于所有容器类型。然而，如果对于一些容器来说跟部高度对于温度设定点-压力关系的影响可忽略，那么方程（2）可通过从变量组中移除跟部高度来简化。诸如环境温度的其它因素也可影响算法的形式。例如，上述方程（1）没有包括环境温度作为变量之一，但是如果***经受环境温度的大变化（例如，户外安装）时，将环境温度添加到变量组中可能是必要的。
在方程（2）中，跟部高度变量可用产物重量容易地置换，所述产物重量可通过容器下方的刻度尺测量。产物重量与跟部高度之间的关系可由容器的几何形状和尺寸来限定。
本发明提供改进的***可靠性，从而导致用户处理的更少停机以及更少的加热器更换（例如，较少的加热器烧坏）。本发明提供在用户要求的动态变化期间所需的最小功率。这通过减少由不足的蒸汽产物供给引起的***停机概率而减少了用户的处理成本。
本发明的各种修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的，且要理解的是，这种修改和变化被包括在本申请的范围以及权利要求的精神和范围内。
示例1
参考图1，该示例描述了两级级联控制***，其响应于用户流率变化动态调节加热功率。在该两级级联控制***中，仅耦合压力指示控制器（PIC）和温度指示控制器（TIC）。在给定时间=0秒时，容器被暖热且容器压力被稳定在PIC设定点，例如120 psig。至用户使用现场的蒸汽流量是零（即，BSGS不工作）。只要用户开始抽取蒸汽流量（例如，时间=0秒），那么容器压力立即减少至例如119 psig。PIC基于此时容器压力与PIC设定点之间的差-1 psig计算输出信号。来自于PIC的输出信号对应于TIC的温度设定点的变化，在该情形中例如+10℉（即，TIC设定点增加10℉）。然后，TIC增加加热功率，以满足新温度设定点。一旦增加的加热功率开始补偿增加的蒸汽流量，容器压力将增加且接近PIC设定点，在该点处级联控制***将基于更新容器压力再次调节加热功率。
示例2
参考图1，该示例例证了三级级联控制***，其响应于用户流率变化动态调节至容器的加热功率。在该三级级联控制***中，压力指示控制器（PIC）、温度指示控制器（TIC）和流量指示控制器（FIC）都耦合。在给定时间=0秒时，容器被暖热且容器压力稳定在PIC设定点，例如120 psig。在FIC设定点稳定至用户使用现场的蒸汽流量，例如每分100标准升（slpm）。只要用户开始抽取蒸汽流量（例如，110 slpm，例如时间=0秒），容器压力立即减少至例如119 psig。PIC基于此时容器压力与PIC设定点之间的差-1 psig计算输出信号。FIC还基于用户蒸汽流率与+10 slpm的FIC设定点之间的差计算输出信号。
来自于PIC的输出信号对应于TIC的温度设定点的变化，在该情形中例如+10℉（即，TIC设定点增加10℉）。来自于FIC的输出信号对应于TIC的温度设定点的变化，在该情形中例如+12℉（即，TIC设定点增加12℉）。来自于PIC和FIC的输出信号被比较，较低值信号（即，+10℉）用于指示TIC。然后，TIC增加加热功率，以满足新温度设定点。一旦增加的加热功率开始补偿增加的蒸汽流量，容器压力将增加且接近PIC设定点，在该点处级联控制***将基于更新的容器压力或用户蒸汽流率再次调节加热功率。

Claims (28)

1. 一种气体蒸发和供给***，包括：
（a）容器，所述容器适于盛装大量的液化气体；
（b）布置在容器上或容器附近的至少一个热源，以向液化气体供给能量或从液化气体移除能量；和
（c）热源控制器，所述热源控制器适于使用工艺变量反馈用于动态调节所述热源并且保持和调节气体输出，所述工艺变量反馈源自至少两个工艺变量的级联顺序控制。
2. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，其中，所述至少两个工艺变量包括压力和温度。
3. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，其中，所述至少两个工艺变量包括压力、温度和气体输出流率。
4. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，其中，所述热源控制器还采用经验数据和一个或多个算法中的至少一种，以基于测量压力、温度和可选地气体输出流率反馈确定要输送到容器中的液化气体的能量。
5. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，还包括压力指示控制器和气体输出流率控制器。
6. 根据权利要求5所述的气体蒸发和供给***，其中，热源控制器、压力指示控制器和气体输出流率控制器包括比例-积分-微分（PID）控制器。
7. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，其中，所述气体蒸发和供给***使用（i）一个或多个温度测量元件，以向所述热源控制器提供反馈；（ii）一个或多个压力测量元件，以向所述热源控制器提供反馈；以及可选地（iii）一个或多个气体输出流率测量元件，以向所述热源控制器提供反馈。
8. 根据权利要求7所述的气体蒸发和供给***，其中，（i）所述一个或多个温度测量元件包括热电偶；（ii）所述一个或多个压力测量元件包括压力传感器；以及（iii）所述一个或多个气体输出流率测量元件包括流率量计或表。
9. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，其中，所述热源选自：定位在容器上的多个加热元件，以将能量供给到液化气体中；定位在容器上或容器附近的陶瓷加热器，以将能量供给到液化气体中；定位在容器上的加热夹套，以将能量供给到液化气体中；或定位在容器上或容器附近的热交换器，以将能量供给到液化气体中或从液化气体移除能量。
10. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，其中，所述热源控制器是可编程逻辑控制器或微处理器。
11. 根据权利要求9所述的气体蒸发和供给***，其中，所述多个加热元件被划分到多个加热区域中，每个加热区域具有至少一个加热元件。
12. 根据权利要求10所述的气体蒸发和供给***，其中，所述可编程逻辑控制器可交错地致动所述加热元件。
13. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，其中，所述容器是选自ISO容器、管道拖车、罐车、吨级容器、桶以及具有至少大约450升的水容量的容器中的大容量容器。
14. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，还包括导管，所述导管的第一端连接到所述容器而第二端设置成传输大致气态形式的所述液化气体至使用现场。
15. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，其中，所述液化气体是超高纯度气体。
16. 根据权利要求1所述的气体蒸发和供给***，其中，所述液化气体选自氨、氯化氢、溴化氢、氯、和全氟丙烷。
17. 一种用于以受控的方式将液化状态的气体输送至使用现场的方法，所述方法包括：
（i）提供容器，所述容器在其中盛装大量的液化气体；
（ii）提供定位在容器上或靠近容器的至少一个热源，以向液化气体供给能量或从液化气体移除能量；
（iii）提供热源控制器，其适于使用工艺变量反馈来动态调节所述热源并且保持和调节气体输出，所述工艺变量反馈源自至少两个工艺变量的级联顺序控制；
（iv）通过所述热源控制器使用所述工艺变量反馈以调节所述热源从而控制所述气体流出所述容器的流量；以及
（v）将所述气体输送到所述使用现场。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少两个工艺变量包括压力和温度。
19. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述至少两个工艺变量包括压力、温度和气体输出流率。
20. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述热源控制器是可编程逻辑控制器或微处理器。
21. 根据权利要求17所述的方法，还包括提供压力指示控制器和气体输出流率控制器。
22. 根据权利要求21所述的方法，其中，热源控制器、压力指示控制器和气体输出流率控制器包括比例-积分-微分（PID）控制器。
23. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述控制是基于经验数据和一个或多个算法中的至少一种。
24. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述使用现场是半导体制造现场。
25. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述液化气体是超高纯度气体。
26. 根据权利要求17所述的方法，还包括在将所述超高纯度气体输送到所述使用现场之前将所述超高纯度气体传送通过过滤装置。
27. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述容器是选自ISO容器、管道拖车、罐车、吨级容器、桶以及具有至少大约450升的水容量的容器中的大容量容器。
28. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述液化气体选自氨、氯化氢、溴化氢、氯、和全氟丙烷。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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