CN112344547B - 一种发热膜式液体加热器及其均温加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发热膜式液体加热器及其均温加热方法，筒体两端设端头固定板，热管设筒体内，两端头固定板上分别贯穿设管道口，管道口内设连接管，两连接管内端均设密封连接组件，热管外侧涂覆发热膜层，发热膜层左右两侧连接设电极层，电极层与外接电源相连，发热膜层外侧涂覆绝缘层，热管内固定连接分流柱，热管内侧和分流柱之间配合形成加热腔，分流柱左右两端及其内侧均设分流槽，分流槽两外端侧与连接管相连通，分流槽与加热腔相连通。发热膜层通电产生热量，热量向内传导至热管和分流柱上，热量向外传导至筒体；液体经连接管和分流槽流入加热腔中。改善对加热腔中流过的液体流的加热均匀性。

Description

一种发热膜式液体加热器及其均温加热方法

技术领域

本发明涉及一种高洁净度、受精密控温的液体加热器，尤其是涉及一种发热膜式液体加热器及其均温加热方法。

背景技术

半导体工业中的很多场合需要使用高洁净度、受精密控温的液体，常常需要在液体管线***中设置管线式加热器对液体流进行精密地加热及控温，特别是需要适用于高洁净度场合的管线式加热器对液体进行温度调节。例如在浸没式光刻机***中，为了实现更好的光刻效果和更高的曝光质量，需要在投影物镜与晶圆基板间填充稳定流动的浸没液体；为保证浸没液体流对穿过其中的激光束影响最小，要求浸没液体流的温度被精密调控以保证其光学性质均匀；通常在浸没液体流入浸没单元前，需要设置加热器、冷凝器和热交换器等对浸没液体流进行温度控制。而现有的加热器缺少对液体流加热均匀性的针对性设计，导致浸没液体流经现有的加热器被加热后，浸没液体流内部间会因与发热元件的接触时间差异和传热时间过短造成浸没液体流在空间上存在一定温差，而具有温差的浸没液体则会影响后续的温度测量和反馈调节精度，并最终影响光刻机曝光成像质量。

在申请号为CN201310013555.5的中国发明专利中，公开了一种加热液体用电加热器主体结构及其加工方法，该发明专利其主体为一块状受热体，受热体内部设有待加热液体流通管路，受热体外侧设有电阻发热膜，电阻发热膜产生的热量通过受热体与待加热液体进行热交换，加热完成后液体从一侧流出；存在着电阻发热膜发热过程中容易出现发热不均现象，会导致局部温度过高而影响使用寿命甚至出现损毁，电阻发热膜和受热体向内传输热量的同时也会将热量向外传输，导致设置于该加热装置旁的设备一并升温，对其造成损害甚至损毁，不适用于零部件集成度高的设备。

在申请号为CN201721225348.6的中国发明专利中，公开了一种稳定耐用安全液体加热管，该发明专利将为一种陶瓷管液体加热器，在陶瓷管外侧设有发热膜，发热膜产生的热量通过陶瓷管传递给在陶瓷管内流动的待加热液体，陶瓷管内液体的温度；然而因液与管和液与液间热传递速率不一致，在液体短暂停留管内的因素下，存在着加热后的液体其内部存在温差问题，不适用于液体温度控制要求高的设备使用。

在申请号为CN201310703225.9的中国发明专利中，公开了一种非金属内喷管电加热器，该发明专利将发热膜设置在其管壁内侧，与待加热液体直接接触，发热膜接触点因浸没在液体中，存在漏电的风险，虽然管壁采用具有绝缘特性的材料，但电量会从液体排出口漏出，该发明专利采用下进上出的进排液方式，结合热液上流冷液下流的原理，进行加热后液体的排放控制，但难以避免冷液和热液一并排出，使得排出后的液体内部间具有温差。

发明内容

本发明为解决现有管线式加热器存在着浸没液体流内部间会因与发热元件的接触时间过短和传热时间过短而造成浸没液体流在空间上存在一定温差，而具有温差的浸没液体则会影响后续的温度测量和反馈调节精度的发热膜式液体加热器及其均温加热方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的具体技术方案为：包括热管，其特征在于：热管外侧涂覆有发热膜层，发热膜层与外接电源电性连接实现通电加热功能；热管的轴向两端设置连接管；热管内部空间内设置分流柱，分流柱沿热管的轴向延伸，热管内侧和分流柱之间配合形成加热腔，分流柱的轴向两端设有分流槽，分流槽连通加热腔与连接管内部的贯通空间；所述热管的两端设置密封连接组件，密封连接组件包括密封端盖、紧压挡板、预紧螺母、紧固螺母、预紧弹簧和紧固连接件，热管外侧和筒体内侧设置紧固连接件，两个密封端盖分别设于左右两个连接管的内端外侧处并与连接管固定连接，两个紧压挡板设于其对应所在一端的密封端盖外侧，左右两端侧的两个密封端盖内侧间连接设有热管，紧固连接件贯穿左右两侧的紧压挡板，紧固螺母通过螺纹与紧固连接件靠右一端固定连接并压紧于右侧紧压挡板的外端面，预紧螺母同时将套设于紧固连接件的预紧弹簧压紧于左侧紧压挡板的外端面，紧固螺母、紧固连接件、预紧螺母和预紧弹簧配合以在热管和密封端盖的轴向两端施加预紧力，实现热管和密封端盖间紧密连接。提高密封连接的可靠有效性，避免热管两端受到过大的径向压紧装配力，有利于对脆性热管材料的保护；使用预紧弹簧便于调整施加的预紧力大小，并且能够防止紧固螺母松动，更有利于保证密封端盖压紧于热管，获得更好的密封可靠性。液体流在热管内部流动，采用发热膜作为发热元件，对液体流的加热时间更长、加热效率高、加热更均匀；发热膜包覆在热管外壁面以避免电极设置在液体流中；包含分流柱使液体流在热管中以环形形状流动，增大了液体与热管壁面的接触面积；可更好减小液体流在空间上存在的温差，有利于提高液体后续的温度测量和反馈调节精度。提高浸没液体温度均匀性，最终提高光刻机曝光成像质量。

作为优选，所述发热膜层包含石墨烯材料。可以获得更高的电热转化效率，并且使加热面的温度更均匀。

作为优选，所述热管轴向两端设置密封端盖，密封端盖与连接管固定连接，密封端盖向热管的轴向端面压紧，密封端盖与热管的轴向端面之间设置密封圈。密封端盖施加轴向的预紧力将热管压紧固定，避免热管两端受到过大的径向压紧装配力，有利于对脆性热管材料的保护。

作为优选，所述紧固连接件是至少两根沿周向均布的杆。对热管施加更均匀的装配力，提高密封连接的可靠有效性。

作为优选，所述的紧固连接件是至少两根沿周向均布的杆。

作为优选，所述密封端盖具有环绕于热管径向外侧的凸出部。便于对热管的安装定位，以及防止热管沿径向滑移。

作为优选，所述的热管采用石英玻璃材质结构或者不锈钢材质结构或者含氟塑料材质结构。有利于减少释放进入液体流的污染物。

作为优选，所述的分流柱采用不锈钢材质或者含氟塑料材质结构。有利于减少释放进入液体流的污染物，保证将热管的热量快速传递至分流柱。

本发明的另一个发明目的在于提供一种发热膜式液体加热器均温加热方法，其特征在于：包括如下均温加热方法

A1.通过外接电源使与分别连接在发热膜层轴向两端的电极层连接的电线通电，电极层通电后给上述技术方案之一所述的发热膜层制热提供能量；

A2.发热膜层通电产生热量，热量向内传导至上述技术方案之一所述的热管和分流柱上，热量向外传导至设于热管外侧的筒体上；

A3.液体从连接管外侧流入上述技术方案之一所述的发热膜式液体加热器，经连接管和分流槽流入上述技术方案之一所述的加热腔中；

A4. 因加热腔为热管内侧和分流柱配合形成，在加热腔内流动的液体其内外两侧分别能与分流柱和热管进行热量交换，液体受热均温且升温快，在液体加热至所需温度后，经另一端的分流槽和连接管向外流出。

液体流在热管内部流动，采用发热膜作为发热元件，对液体流的加热时间更长、加热效率高、加热更均匀；发热膜包覆在热管外壁面以避免电极设置在液体流中；包含分流柱使液体流在热管中以环形形状流动，增大了液体与热管壁面的接触面积；可减小液体流在空间上存在的温差，有利于提高液体后续的温度测量和反馈调节精度。

作为优选，在执行第A1步骤通电前，执行以下步骤：

B1. 通过向紧固连接件施加预紧力，预紧弹簧将预紧力存储并通过预紧螺母将存储的预紧力锁住，实现热管和密封端盖间紧密连接，确保发热膜式液体加热器的良好密封性；

B2. 通过端头固定板，将发热膜式液体加热器与浸没式光刻机***固定连接，因发热膜式液体加热器的两端侧均可实现液体的流入或流出，其固定方向可任意调换。

本发明的有益效果是：液体流在热管内部流动，采用发热膜作为发热元件，对液体流的加热时间更长、加热效率高、加热更均匀；发热膜包覆在热管外壁面以避免电极设置在液体流中；包含分流柱使液体流在热管中以环形形状流动，环状液体流的内侧与外侧都与传热壁面接触，增大了液体与传热壁面的接触面积；可以减小液体流在空间上存在的温差，有利于提高液体后续的温度测量和反馈调节精度；针对脆性的高洁净度材料热管，采用在轴向上施加预紧力压紧的安装方式，保证热管轴向端面附近不因受到过大的径向压紧装配力而发生破裂损坏。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是本发明一种发热膜式液体加热器的内部结构示意图。

图2是本发明一种发热膜式液体加热器的正视结构示意图。

图3是图2是左视结构示意图。

图4图2的剖视结构示意图。

图5是图4中A-A向的结构示意图。

图6是本发明一种发热膜式液体加热器内部流场的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

图1、图2、图3、图4、图5、图6所示的实施例中，一种发热膜式液体加热器，包括热管11，还包括筒体1、端头固定板2和连接管3，筒体1两端安装固定连接设有端头固定板2，热管11设于筒体1内，两端的端头固定板2上分别贯穿设有管道口20和第一线缆口5，管道口20内固定安装连接有连接管3，两个连接管3内端均安装连接设有热管11的密封连接组件，热管11外侧涂覆有发热膜层8，发热膜层8轴向两端分别连接设有电极层4，电极层4通过连接电线与外接电源相连，发热膜层8外侧涂覆有绝缘层9，热管11内安装固定连接有分流柱14，热管11内侧和分流柱14之间配合形成有环形形状的加热腔15，分流柱14左右两端及其内侧均开有分流槽16，分流槽16两外端侧与连接管3相连通，分流槽16与加热腔15相连通。液体流在热管内部流动，采用发热膜作为发热元件，对液体流的加热时间更长、加热效率高、加热更均匀；发热膜包覆在热管外壁面以避免电极设置在液体流中；包含分流柱使液体流在热管中以环形形状流动，增大了液体与热管壁面的接触面积；可更好减小液体流在空间上存在的温差，有利于提高液体后续的温度测量和反馈调节精度。筒体1作为本发明发热膜式液体加热器刚性外壳体可以防止本发明装置因长久使用而产生机械形变，也用于减少本发明装置加热时向外散发的热量；筒体1可以为圆形、方形或其他任意形状；管道口20和第一线缆口5尺寸、位置可变且数量可增减不唯一；第一线缆口5作为本发明发热膜式液体加热器内部用电设备其电线出入通道；作为优选，发热膜层8可以选用石墨烯作为发热膜层8制作材料，石墨烯发热膜电热转化效率高，且加热面温度均匀；热管11采用耐高温、耐磨损和耐腐蚀材质结构，提高热管使用寿命及使用可靠有效性。分流槽16连通设有若干个与加热腔15相连通的连通槽161，连通槽161倾斜连通设于分流槽16和加热腔15之间；连通槽161将连接管3内的柱形形状的液体流引导为环形形状的液体流并流入加热腔15。如图4所示，热管轴向两端设置密封端盖，密封端盖与连接管固定连接，密封端盖向热管的轴向端面压紧，密封端盖与热管的轴向端面之间设置密封圈。所述热管的两端设置密封连接组件，密封连接组件包括密封端盖7、紧压挡板13、预紧螺母61、紧固螺母12、预紧弹簧6和紧固连接件10，热管11外侧和筒体1内侧设置紧固连接件10，热管外侧和筒体内侧设置紧固连接件，紧固连接件是至少两根沿周向均布的杆；两个密封端盖7分别安装固定连接设于左右两个连接管3的内端外侧处并与连接管固定连接，两个紧压挡板13设于其对应所在一端的密封端盖7外侧并对密封端盖7外侧施加紧压力，左右两端侧的两个密封端盖7内侧间安装连接设有热管11，紧固连接件10贯穿左右两侧的紧压挡板13，紧固螺母12通过螺纹与紧固连接件10靠右一端固定连接并压紧于右侧紧压挡板13的外端面，紧固连接件10左端在紧压挡板13外侧通过螺纹与预紧螺母61固定连接，预紧螺母61同时将套设于紧固连接件10的预紧弹簧6压紧于左侧紧压挡板13的外端面，紧固螺母12、紧固连接件10、预紧螺母61和预紧弹簧6配合以在热管11和密封端盖7的轴向两端施加预紧力，实现热管11和密封端盖7间紧密连接；相比直接通过紧固螺母12施加预紧力，使用预紧弹簧6配合紧固螺母12施加预紧力更便于调整施加的预紧力大小，并且能够防止紧固螺母12松动，更有利于保证密封端盖7压紧于热管11，获得更好的密封可靠性。密封端盖7和热管11间固定安装有密封圈17，密封端盖7与热管11连接端处开有安装连接限位槽，密封圈17设在安装连接限位槽内，热管11外端头侧顶压在安装连接限位槽中的密封圈17上。密封端盖7具有环绕于热管11径向外侧的凸出部，便于对热管的安装定位，以及防止热管沿径向滑移。紧压挡板13上贯穿设有第一贯穿孔21、第二线缆口19和第二贯穿孔18，密封端盖7贯穿连接设于在第一贯穿孔21中，密封端盖7具有台阶状密封端盖结构，第二线缆口19用于加热器内部用电设备其电线的向外引出，紧固连接件10贯穿安装连接设置在左侧的密封端盖7上的第二贯穿孔18和右侧密封端盖7上的第二贯穿孔18上。第一贯穿孔21、第二线缆口19和第二贯穿孔18尺寸、位置可变且数量可增减不唯一，第一贯穿孔21的孔径尺寸大于第二贯穿孔18的孔径尺寸。第二线缆口19的设置用于本发明装置内部用电设备其电线的向外导出，也避免了电线因长度或重力因素与热管11误触，而引发电路烧熔等安全问题。热管采用石英玻璃材质结构或者不锈钢材质结构，优选的是石英玻璃材质结构或者高洁净度不锈钢材质结构，使液体流经热管11时不易引入污染杂质。分流柱14采用高导热材质结构，例如不锈钢材质结构，优选的是高洁净度的不锈钢材质结构，能促进热量传递至液体流的内核部分，使得流入加热腔15内的液体其内外两侧均能均匀受热，避免液体流经热管过程中因来自热管壁面的热量传递不及时而产生温差。一般地，石英玻璃材质相比不锈钢材质产生更少的污染物，但导热系数更小，因此，设置热管采用石英玻璃材质而分流柱采用不锈钢材质，能够产生尽量少的污染物并且具备尽量快速的向分流柱导热的能力。热管可以采用聚四氟乙烯（PTFE）或可熔性聚四氟乙烯（PFA）等含氟塑料，分流柱也可以采用聚四氟乙烯（PTFE）或可熔性聚四氟乙烯（PFA）等含氟塑料，释放进入液体流的污染物少，并且对酸性液体的耐受性更好。

本发明采用上述液体温度控制技术，对液体流的加热时间更长、加热效率高、加热更均匀；使液体流在热管中以环形形状流动，环状液体流的内侧与外侧都与传热壁面接触，增大了液体与传热壁面的接触面积；可更好避免浸没液体流在空间上存在一定温差，提高对液体后续的温度测量和反馈调节精度；如果将本发明的装置应用于浸没式光刻机的浸液供给装置中，可以提高浸没液体温度均匀性，最终提高光刻机曝光成像质量。以及本发明在热管外侧设有紧固连接件和预紧弹簧，通过向紧固连接件施加预紧力，预紧弹簧将预紧力存储并通过螺母将存储的预紧力锁住，实现热管和密封端盖间紧密连接，确保本发明的良好密封性，使用轴向上施加预紧力压紧的安装方式，对于石英等脆性的高洁净度材料热管，可以保证热管轴向端面附近不因受到过大的径向压紧装配力而发生破裂损坏；本发明选用石英、不锈钢或者含氟塑料作为热管制作材料，液体流经热管时不易产生污染杂质，发热膜层包含石墨烯材料。可以获得更高的电热转化效率，并且使加热面的温度更均匀。本发明通过选用石墨烯作为发热膜层制作材料，电热转化效率高，且加热面温度均匀，本发明通过选用石墨烯和在热管内部设置分流柱，使得流入加热腔内的液体其内外两侧均能均匀受热，避免液体因受热不均或热传递速率不同而产生温差，本发明设置有筒体，可以防止本发明因长久使用而产生机械形变，也用于减少本发明加热时向外散发的热量。

实施例2：

图1、图2、图3、图4、图5、图6所示的实施例中，一种发热膜式液体加热器均温加热方法，包括如下均温加热方法

A1.通过外接电源使与实施例1所述的电极层4连接的电线通电，电极层4通电后给发热膜层8制热提供能量；

A2.发热膜层8通电产生热量，热量向内传导至实施例1所述的热管11和分流柱14上，热量向外传导至筒体1上；

A3.液体从连接管3外侧流入实施例1所述的发热膜式液体加热器，经连接管3和分流槽16流入实施例1所述的加热腔15中（见图6所示箭头指向）；

A4. 因加热腔15为热管11内侧和分流柱14配合形成，在加热腔15内流动的液体其内外两侧分别能与分流柱14和热管11进行热量交换，液体受热均温且升温快，在液体加热至所需温度后，经另一端的分流槽16和连接管3向外流出（见图6所示箭头指向）。

在执行第A1步骤通电前，执行以下步骤

B1. 通过向紧固连接件10施加预紧力，预紧弹簧6将预紧力存储并通过螺母12将存储的预紧力锁住，实现热管11和密封端盖7间紧密连接，确保发热膜式液体加热器的良好密封性；

B2. 通过端头固定板2，将发热膜式液体加热器与浸没式光刻机***固定连接，因发热膜式液体加热器的两端侧均可实现液体的流入或流出，其固定方向可任意调换。

在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种发热膜式液体加热器，包括热管，其特征在于：热管外侧涂覆有发热膜层，发热膜层与外接电源电性连接实现通电加热功能；热管的轴向两端设置连接管；热管内部空间内设置分流柱，分流柱沿热管的轴向延伸，热管内侧和分流柱之间配合形成加热腔，分流柱的轴向两端设有分流槽，分流槽连通加热腔与连接管内部的贯通空间；所述热管的两端设置密封连接组件，密封连接组件包括密封端盖、紧压挡板、预紧螺栓、紧固螺母、预紧弹簧和紧固连接件，热管外侧和筒体内侧设置紧固连接件，两个密封端盖分别设于左右两个连接管的内端外侧处并与连接管固定连接，两个紧压挡板设于其对应所在一端的密封端盖外侧，左右两端侧的两个密封端盖内侧间连接设有热管，紧固连接件贯穿左右两侧的紧压挡板，紧固螺母通过螺纹与紧固连接件靠右一端固定连接并压紧于右侧紧压挡板的外端面，预紧螺母同时将套设于紧固连接件的预紧弹簧压紧于左侧紧压挡板的外端面，紧固螺母、紧固连接件、预紧螺母和预紧弹簧配合以在热管和密封端盖的轴向两端施加预紧力，实现热管和密封端盖间紧密连接。

2.按照权利要求1所述的发热膜式液体加热器，其特征在于：所述发热膜层包含石墨烯材料。

3.按照权利要求1所述的发热膜式液体加热器，其特征在于：所述热管轴向两端设置密封端盖，密封端盖与连接管固定连接，密封端盖向热管的轴向端面压紧，密封端盖与热管的轴向端面之间设置密封圈。

4.按照权利要求1所述的发热膜式液体加热器，其特征在于：所述紧固连接件是至少两根沿周向均布的杆。

5.按照权利要求1所述的发热膜式液体加热器，其特征在于：所述密封端盖具有环绕于热管径向外侧的凸出部。

6.按照权利要求1或4所述的发热膜式液体加热器，其特征在于：所述的热管采用石英玻璃材质结构或者不锈钢材质结构或者含氟塑料材质结构。

7.按照权利要求1所述的发热膜式液体加热器，其特征在于：所述的分流柱采用不锈钢材质或者含氟塑料材质结构。

8.一种发热膜式液体加热器均温加热方法，其特征在于：包括如下均温加热方法

A1.通过外接电源使与分别连接在发热膜层轴向两端的电极层连接的电线通电，电极层通电后给权利要求1～7之一所述的发热膜层制热提供能量；

A2.发热膜层通电产生热量，热量向内传导至权利要求1～7之一所述的热管和分流柱上，热量向外传导至设于热管外侧的筒体上；

A3.液体从连接管外侧流入权利要求1～7之一所述的发热膜式液体加热器，经连接管和分流槽流入上权利要求1～7之一所述的加热腔中；

A4. 因加热腔为热管内侧和分流柱配合形成，在加热腔内流动的液体其内外两侧分别能与分流柱和热管进行热量交换，液体受热均温且升温快，在液体加热至所需温度后，经另一端的分流槽和连接管向外流出。

9.按照权利要求8所述的发热膜式液体加热器均温加热方法，其特征在于：在执行第A1步骤通电前，执行以下步骤

B1. 通过向紧固连接件施加预紧力，预紧弹簧将预紧力存储并通过预紧螺母将存储的预紧力锁住，实现热管和密封端盖间紧密连接，确保发热膜式液体加热器的良好密封性；

B2. 通过端头固定板，将发热膜式液体加热器与浸没式光刻机***固定连接，因发热膜式液体加热器的两端侧均可实现液体的流入或流出，其固定方向可任意调换。

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