CN111854020B - 一种红外辐射加湿装置及其加湿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外辐射加湿装置及其加湿方法，包括红外波装置、蒸发腔室、液相水供给装置和载气流道。其中主腔体为蒸发腔室；红外波装置由螺旋线形状的异形红外发生器和红外控制器组成，用于提供一定波谱及功率的红外波；液相水供给装置由供液控制隔膜阀、雾化喷嘴组成，载气流道包含干气供气流道与湿气出口流道，蒸发式腔体内部设有温度传感器及液位传感器用于保证蒸发腔室内部温度与控制内部残留液量；液滴去除装置用于过滤去除湿气体中夹带的未气化的小液滴；采用红外辐射方式加速水雾蒸发，具有加湿量可调、载气进出口温差小、工作状况不影响周围环境温度等优点，加湿效率高，提高环境气体高洁净度。

Description

一种红外辐射加湿装置及其加湿方法

技术领域

本发明涉及一种气体加湿装备，尤其是涉及一种使用于半导体工业生产中等具有高洁净度环境气体要求的加湿装置及其加湿方法。

背景技术

半导体工业生产中很多场合需要使用高洁净度的气体，对气体的湿度进行调节控制也是常见的气体处理流程之一。例如，申请人在申请号为201711395951.3的中国发明专利中提到，浸没式光刻机将高相对湿度的空气供给到硅片上方，以减弱硅片上浸没液体蒸发，防止硅片受冷却而发生变形。而现有传统气体加湿技术主要采用有：超声波雾化加湿、填料塔鼓泡加湿和喷雾冷却加湿；虽然新型的气体加湿技术有中空纤维膜加湿和传质膜加湿等。上述加湿技术中加湿过程通过水蒸气传质膜加湿传质过程的，其传质动力为气液界面水蒸气浓度差；而加湿过程中气液接触比表面积、气液两相界面水蒸气浓度梯度则是决定加湿效率的主要因素；上述传统的气体加湿技术存在着一定的局限性：例如存在着加湿效率低、受周围环境温度影响大、加湿不可控或控制效率低等；而中空纤维膜与传质膜加湿虽然效率高，洁净度高，但却存在着温度适用范围窄、加湿湿度不可控缺陷；并且，传统的气体传质加湿方法所使用的装置和材料也有可能难以满足半导体工业的气体洁净度要求，从而降低了环境气体的高洁净度性。

发明内容

本发明为解决现有使用于半导体工业生产中等具有高洁净度环境气体要求的加湿装置存在着加湿效率低、受周围环境温度影响大、加湿不可控或控制效率低或温度适用范围窄、加湿湿度不可控等现状而提供的一种可提高加湿效率，受周围环境温度影响低，提高温度适用范围，提高环境气体高洁净度的红外辐射加湿装置及其加湿方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的具体技术方案为：一种红外辐射加湿装置，包括蒸发腔室、液相水供给装置、载气流道和控制器，液相水供给装置包括供液控制阀和雾化喷嘴，其特征在于：还包括红外加热器，红外加热器位于蒸发腔室内部，红外加热器用于提供红外波使液相水气化；载气流道包含干气体入口与湿气体出口，湿气体出口后级与气体输出流路连接，湿气体出口后级气体输出流路的下游管路上设有液滴去除装置，液滴去除装置用于去除湿气体中夹带的未气化的小液滴，进行二次过滤去除液滴；气体经过载气流道在蒸发腔室内大致呈自上而下的方向流动，湿气体出口位于蒸发腔室的下部位置且处于内底部上方位置处；蒸发腔室内部设有用于监测蒸发腔室内部温度的温度传感器及用于监测蒸发腔室内部残留液液位的液位传感器；蒸发腔室底部设有排液孔及排液控制阀门；液相水供给装置位于红外辐射加湿装置的上部，雾化喷嘴位于蒸发腔室的顶部。使用雾化液体和红外加热的技术组合实现气体加湿功能。利用红外辐射具有穿透强、响应快且不同红外谱段、材料的红外吸收具有选择性等特点，使喷嘴出口微米级液滴表面迅速发生相变挥发至载气中。加湿装置的气体输出流路中设置液滴去除装置的气液分离结构，避免气体中夹带小水滴。使用螺线形的红外加热管，增大红外线覆盖面积。可提高加湿效率，受周围环境温度影响低，提高温度适用范围，提高环境气体高洁净度。

作为优选，所述的红外加热器具有螺旋线形状，所述的螺旋线形状采用具有圆柱螺旋线形状、上大下小的倒锥形螺旋线形状、上小下大的锥形螺旋线形状或者是上下两端小中部大的双锥螺旋线形状。提高加热效率，在达到同等气化效率的条件下可以使用较低的加热温度，有利于抑制温度变化导致气体湿度波动的情况。

作为优选，所述的蒸发腔室呈柱状多边形筒体腔室结构或大致呈圆筒形腔室结构。提高蒸发腔室内对气体加湿加热处理的均匀稳定有效性。

作为优选，所述的湿气体出口位于蒸发腔室的下部周边，湿气体出口采用从蒸发腔室内壁面处倾斜向上向外延伸至蒸发腔室外壁面处的倒锥形圆环状出口结构。提高利用重力和湿气流旋转的惯性使未完全气化的液滴下落回流到蒸发腔室中的回流有效性。

作为优选，所述的雾化喷嘴为超声波雾化喷嘴、单相液体雾化喷嘴或两相气液雾化喷嘴，所述雾化喷嘴的数量与排布根据气体流量和蒸发腔室的温度工作参数确定。提高液相水供给的雾化处理有灵活效可靠性。

作为优选，所述的干气体入口位于蒸发腔室内部的一端设有使气流均匀地流入蒸发腔室的气流均匀装置,气流均匀装置具有使出口气体各部位流量均匀和流速稳定的多孔筛板结构；气流均匀装置位于蒸发腔室的上部周边，且分布于靠近蒸发腔室内环周壁面处。提高出口气体各部位流量均匀性和流速稳定性，提高对干气体进入的蒸发腔室的气流均匀处理有效性，提高加湿处理有效性。

作为优选，所述的液滴去除装置采用微米级的过滤器或高效气液分离器。提高液体去除处理的过滤分离有效性。

作为优选，所述的气体输出流路上设有相对湿度传感器和出口三通阀，相对湿度传感器和出口三通阀均与控制器电性连接；相对湿度传感器用于监测气体输出流路上的气体相对湿度，出口三通阀用于根据湿度传感器检测的温湿度数据信息调节输出气体流量。提高输出气体相对湿度检测和反馈调节功能。

作为优选，所述的气体输出流路上设有储气瓶，储气瓶设于液滴去除装置后级的气体输出流路上，经过加湿装置加湿处理的气体先汇集到储气瓶中再向下游管路输出。提高输出流路上设置储气瓶以实现相对湿度缓冲功能。

本发明申请的另一个发明目的在于提供一种红外辐射加湿方法，其特征在于：包括如下加湿处理步骤

a. 需要加湿处理时，控制器控制打开安装于载气流道的干气体入口外端管道上的质量流量控制器，为加湿处理提供干空气的供给调节量；

b.待加湿的干空气从上述技术方案之一所述载气流道的干气体入口处进入上述技术方案之一所述的气流均匀装置；

c.干空气从气流均匀装置上端处均匀地流入进入蒸发腔室内部上方空间；

d. 干空气自蒸发腔室内部上方空间处大致呈自上而下的方向流动流向于从上述技术方案之一所述载气流道的湿气体出口方向；

e. 液相水供给装置打开供液控制阀，液相水源经过供液控制阀向下经过雾化喷嘴，从蒸发腔室内部上方向下喷出雾化加湿液相水并对自蒸发腔室内部上方空间处大致呈自上而下的方向流动流向的干空气进行加湿混合；当然本步骤也可在上述第c步骤启动前启动执行或与上述第c步骤同步启动执行；

f. 上述技术方案之一所述的红外加热器在红外控制器的控制下，红外加热器开始加热提供红产生外加热效应的的红外加热波；红外加热波对加湿混合的混合气体进行红外加热波加热除湿处理；当然本步骤也可在上述第e步骤启动前启动执行或与上述第e步骤同步启动执行；

g.经过红外加热波加热除湿处理后的加湿气体流动流向于从上述技术方案之一所述载气流道的湿气体出口方向，再经湿气体出口流经液滴去除装置，去除湿气体中夹带的未气化的小液滴；

h. 经过液滴去除装置除湿处理后的加湿气体从气体输出流路进入下游管路中使用或存储。

上述步骤中排液控制阀门与液位传感器联动，进行自动排液控制蒸发腔室内部的残留液量。

使用雾化液体和红外加热的技术组合实现气体加湿功能，在干气体从蒸发腔室内上方开始向下流向至湿气体出口同时，液相水供给装置经过雾化后对干气体进行加湿处理，同时红外控制器和红外加热器也对加湿后的加湿气体进行红外加热除湿处理，经过红外加热除湿处理后的加湿气体在输出至气体输出流路的下游管路上时，再经过液滴去除装置，进一步获得对未气化的小液滴的去除处理，从而获得更为高效的加湿除湿处理效率，受周围环境温度影响低，提高温度适用范围，提高环境气体高洁净度。

本发明的有益效果是：利用红外辐射具有穿透强、响应快且不同红外谱段、材料的红外吸收具有选择性等特点，使喷嘴出口微米级液滴表面迅速发生相变挥发至载气中。过精密隔膜控制阀、电磁阀控制喷雾量及载气量，该加湿装置具有加湿量可调、载气流量可控、载气温度差小，载气出口湿度可调节的优势。加湿腔体使用不锈钢，红外加灯管使用石英玻璃，工作过程中产生的颗粒污染物少。装置的输出通路中设置气液分离结构，避免气体中夹带小水滴。使用螺线形的红外加热管，增大红外线覆盖面积。在输出通路中设置湿度检测和回流通路，进一步保障出口获得高相对湿度的气体。可提高加湿效率，受周围环境温度影响低，提高温度适用范围，提高环境气体高洁净度。

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是本发明红外辐射加湿装置涉及的一种结构示意图；

图2为本发明红外辐射加湿装置涉及的红外加热器示意图；

图3为本发明红外辐射加湿装置涉及的又一实施例的示意图；

图4为本发明红外辐射加湿装置涉及的又一实施例的示意图。

具体实施方式

实施例1：

图1所示的实施例中，一种红外辐射加湿装置，包括蒸发腔室2、液相水供给装置30、载气流道和控制器90，液相水供给装置30包括供液控制阀31和雾化喷嘴32，还包括红外加热器50和红外控制器60，主腔体为洁净、绝热、耐高温材料加工而成的蒸发腔室；红外控制器60用于为红外加热器50提供红产生外加热控制的红外波，红外加热器50安装位于蒸发腔室20内部，红外加热器用于提供红外波使液相水气化；载气流道包含干气体入口42与湿气体出口43，其中干气体入口42位于蒸发腔室20内部的一端安装设置有使气流均匀地流入蒸发腔室的气流均匀装置41，湿气体出口43后级与气体输出流路连接，湿气体出口43后级气体输出流路的下游管路上安装连接有液滴去除装置44，液滴去除装置44用于去除湿气体中夹带的未气化的小液滴，进行二次过滤去除液滴，液滴去除装置44可以是微米级的过滤器，也可以是高效气液分离器；气体经过载气流道在蒸发腔室20内大致呈自上而下的方向流动，湿气体出口43位于蒸发腔室20的下部位置且处于内底部上方位置处；蒸发腔室20内部安装有用于监测蒸发腔室20内部温度的温度传感器13及用于监测蒸发腔室20内部残留液液位的液位传感器12；蒸发腔室20底部设置有排液孔10及排液控制阀门11，排液控制阀门11与液位传感器12联动，用于自动排液控制残留液量；液相水供给装置30位于装置的上部，雾化喷嘴32安装位于蒸发腔室20的顶部；气流均匀装置41安装位于蒸发腔室20的上部周边，且分布于靠近蒸发腔室内环周壁面处；红外加热器50具有螺旋线形状。红外控制器60可使用或参考借用现有技术中的红外加热控制技术，红外加热器50采用具有圆柱螺旋线形状，圆柱螺旋线形状加热面积大，加热效率高，在达到同等气化效率的条件下可以使用较低的加热温度，有利于抑制温度变化导致气体湿度波动的情况。蒸发腔室20呈柱状多边形筒体腔室结构或大致呈圆筒形腔室结构。湿气体出口43位于蒸发腔室的下部周边，湿气体出口43为倒置的锥形圆环状，也即湿气体出口采用从蒸发腔室内壁面处倾斜向上向外延伸至蒸发腔室外壁面处的倒锥形圆环状出口结构，其目的是利用重力和湿气流旋转的惯性使未完全气化的液滴下落回流到蒸发腔室20中，进一步的，湿气体出口43环形连续一周分布于蒸发腔室20的环周壁上，当然也可以是在蒸发腔室20的环周壁上分布开有多个湿气体出口43。雾化喷嘴可为超声波雾化喷嘴、单相液体雾化喷嘴或两相气液雾化喷嘴，所述雾化喷嘴的数量与排布可以根据气体流量和蒸发腔室20的温度等工作参数确定。气流均匀装置41具有使出口气体各部位流量均匀和流速稳定的多孔筛板结构。液滴去除装置44采用微米级的过滤器或高效气液分离器。装置多处部件采用适应高洁净度要求的设计，包括阀使用隔膜阀，加湿腔体使用不锈钢，红外加热管外壁为石英玻璃材质。装置的输出流路上设置液滴去除结构，包括倾斜的湿气体出口设计和输出流路上的过滤器或高效气液分离器。干气体入口42前端安装有质量流量控制器45，用于调节干空气的供给量；在蒸发腔室20内，干气气体和/或经加湿后的加湿气体大致呈自上而下的方向流动，湿度大的气体密度较大，自然落入蒸发腔室20下方的湿气体出口43附近，有利于获得相对湿度高的气体。湿气体出口43位于蒸发腔室20的下方位置，但不宜太靠近底部，否则有被残留液体淹没并堵塞气体出口的风险，应当保留一定安全距离高度。在控制器90的协调下，红外控制器60与干气体质量流量控制器45及供液控制阀31共同实现气体流量、加湿量及加热功率的调节。温度传感器13用于监测蒸发腔室内部温度，防止红外发生器50工作异常等事故发生。

实施例2：

图2所示的实施例中，红外加热器50采用具有上大下小的倒锥形螺旋线形状，当然也还可以是上小下大的锥形螺旋线形状或者是上下两端小中部大的双锥螺旋线形状。在采用具有上大下小的倒锥形螺旋线形状时，红外加热器50的第一加热连接端53和第二加热连接端54竖向并行排列引出设置于整个红外加热器50的下底端外部位置处（见图2），其中第一加热连接端53向上延伸并贯穿整个红外加热器50所形成的螺旋线形状内斗形通道51，再从第一加热连接端53的上端头52处开始进行上大下小的螺旋线状延伸至与第二加热连接端54上端连接；与实施例1中圆柱螺旋线形状相比，锥形螺旋线形状的红外加热器50发射的红外线在水平面上能够直接辐射更大的面积，进一步提高了加热效率和加湿效率。其他同实施例1相同。

实施例3：

图3所示的实施例中，体输出流路上设有相对湿度传感器71和出口三通阀72，相对湿度传感器71和出口三通阀72均与控制器电性连接；相对湿度传感器71用于监测气体输出流路上的气体相对湿度，出口三通阀72用于根据湿度传感器71检测的温湿度数据信息而调节输出气体流量。使部分或全部输出气体沿回流流路73经入口三通阀74重新输入到干气体入口42中，使气体的相对湿度得到重新调节。其他同实施例1或实施例2相同。

实施例4：

图4所示的实施例中，气体输出流路上安装设置有储气瓶80，储气瓶80安装设置在液滴去除装置44后级的气体输出流路上，经过加湿装置44加湿处理的加湿后气体先汇集到储气瓶80中再向下游管路输出。这样储气瓶80起到了暂存和混合一段时间内生成的加湿气体的功能，能够使本实用新型加湿装置输出的加湿气体相对湿度波动更小；储气瓶80上还可以安装设置相对湿度传感器71，用于检测输出气体的相对湿度并用于反馈调节。其他同实施例1、实施例2或实施例3相同。

实施例5：

图1、图2、图3、图4所示的实施例中，一种红外辐射加湿方法，包括如下加湿处理步骤：

a. 需要加湿处理时，控制器控制打开安装于载气流道的干气体入口42外端管道上的质量流量控制器45，为加湿处理提供干空气的供给调节量；

b.待加湿的干空气从上述实施例之一所述载气流道的干气体入口42处进入上述实施例之一所述的气流均匀装置（见图1、图3、图4中所示气体流向箭头所示）；

c.干空气气体从气流均匀装置上端处均匀地流入进入蒸发腔室20内部上方空间（见图1、图3、图4中所示气体流向箭头所示）；

d. 干空气自蒸发腔室2内部上方空间处大致呈自上而下的方向流动流向于从上述实施例之一所述载气流道的湿气体出口43方向；

e. 液相水供给装置30打开供液控制阀31，液相水源经过供液控制阀向下经过雾化喷嘴32，从蒸发腔室20内部上方向下喷出雾化加湿液相水并对自蒸发腔室20内部上方空间处大致呈自上而下的方向流动流向的干空气进行加湿混合；当然本步骤也可在上述第c步骤启动前启动执行或与上述第c步骤同步启动执行；

f. 上述实施例之一所述的红外加热器5在红外控制器60的控制下，红外加热器50开始加热提供红产生外加热效应的的红外加热波；红外加热波对加湿混合的混合气体进行红外加热波加热除湿处理；当然本步骤也可在上述第e步骤启动前启动执行或与上述第e步骤同步启动执行；

g.经过红外加热波加热除湿处理后的加湿气体流动流向于从上述实施例之一所述载气流道的湿气体出口43方向，再经湿气体出口43流经液滴去除装置，去除湿气体中夹带的未气化的小液滴；

h. 经过液滴去除装置除湿处理后的加湿气体从气体输出流路进入下游管路中使用或存储。

上述步骤中排液控制阀门11与液位传感器8联动，进行自动排液控制蒸发腔室20内部的残留液量。

其他同实施例1、实施例2、实施例3或实施例4相同。

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 (10)

1.一种红外辐射加湿装置，包括蒸发腔室、液相水供给装置、载气流道和控制器，液相水供给装置包括供液控制阀和雾化喷嘴，其特征在于：还包括红外加热器，红外加热器位于蒸发腔室内部，红外加热器用于提供红外波使液相水气化；载气流道包含干气体入口与湿气体出口，湿气体出口后级与气体输出流路连接，湿气体出口后级气体输出流路的下游管路上设有液滴去除装置，液滴去除装置用于去除湿气体中夹带的未气化的小液滴，进行二次过滤去除液滴；气体经过载气流道在蒸发腔室内大致呈自上而下的方向流动，湿气体出口位于蒸发腔室的下部位置且处于内底部上方位置处；蒸发腔室内部设有用于监测蒸发腔室内部温度的温度传感器及用于监测蒸发腔室内部残留液液位的液位传感器；蒸发腔室底部设有排液孔及排液控制阀门；液相水供给装置位于红外辐射加湿装置的上部，雾化喷嘴位于蒸发腔室的顶部。

2.按照权利要求1所述的红外辐射加湿装置，其特征在于：所述的红外加热器具有螺旋线形状，所述的螺旋线形状采用圆柱螺旋线形状、上大下小的倒锥形螺旋线形状、上小下大的锥形螺旋线形状或者是上下两端小中部大的双锥螺旋线形状。

3.按照权利要求1所述的红外辐射加湿装置，其特征在于：所述的蒸发腔室呈柱状多边形筒体腔室结构或大致呈圆筒形腔室结构。

4.按照权利要求1所述的红外辐射加湿装置，其特征在于：所述的湿气体出口位于蒸发腔室的下部周边，湿气体出口采用从蒸发腔室内壁面处倾斜向上向外延伸至蒸发腔室外壁面处的倒锥形圆环状出口结构。

5.按照权利要求1所述的红外辐射加湿装置，其特征在于：所述的雾化喷嘴为超声波雾化喷嘴、单相液体雾化喷嘴或两相气液雾化喷嘴，所述雾化喷嘴的数量与排布根据气体流量和蒸发腔室的温度工作参数确定。

6.按照权利要求1所述的红外辐射加湿装置，其特征在于：所述的干气体入口位于蒸发腔室内部的一端设有使气流均匀地流入蒸发腔室的气流均匀装置,气流均匀装置具有使出口气体各部位流量均匀和流速稳定的多孔筛板结构；气流均匀装置位于蒸发腔室的上部周边，且分布于靠近蒸发腔室内环周壁面处。

7.按照权利要求1所述的红外辐射加湿装置，其特征在于：所述的液滴去除装置采用微米级的过滤器或高效气液分离器。

8.按照权利要求1所述的红外辐射加湿装置，其特征在于：所述的气体输出流路上设有相对湿度传感器和出口三通阀，相对湿度传感器和出口三通阀均与控制器电性连接；相对湿度传感器用于监测气体输出流路上的气体相对湿度，出口三通阀用于根据湿度传感器检测的温湿度数据信息调节输出气体流量。

9.按照权利要求1所述的红外辐射加湿装置，其特征在于：所述的气体输出流路上设有储气瓶，储气瓶设于液滴去除装置后级的气体输出流路上，经过加湿装置加湿处理的气体先汇集到储气瓶中再向下游管路输出。

10.一种用于权利要求6所述红外辐射加湿装置的加湿方法，其特征在于：包括如下加湿处理步骤

a. 需要加湿处理时，控制器控制打开安装于载气流道的干气体入口外端管道上的质量流量控制器，为加湿处理提供干空气的供给调节量；

b.待加湿的干空气从所述载气流道的干气体入口处进入气流均匀装置；

c.干空气从气流均匀装置上端处均匀地流入进入蒸发腔室内部上方空间；

d.干空气自蒸发腔室内部上方空间处大致呈自上而下的方向流动流向所述载气流道的湿气体出口方向；

e.液相水供给装置打开供液控制阀，液相水源经过供液控制阀向下经过雾化喷嘴，从蒸发腔室内部上方向下喷出雾化加湿液相水并对自蒸发腔室内部上方空间处大致呈自上而下的方向流动流向的干空气进行加湿混合；或者本步骤在上述第c步骤启动前启动执行或与上述第c步骤同步启动执行；

f.所述的红外加热器在红外控制器的控制下，红外加热器开始加热提供红外加热效应产生的红外加热波；红外加热波对加湿混合的混合气体进行红外加热波加热除湿处理；或者本步骤在上述第e步骤启动前启动执行或与上述第e步骤同步启动执行；

g.经过红外加热波加热除湿处理后的加湿气体流动流向所述载气流道的湿气体出口方向，再经湿气体出口流经液滴去除装置，去除湿气体中夹带的未气化的小液滴；

h.经过液滴去除装置除湿处理后的加湿气体从气体输出流路进入下游管路中使用或存储；

i.上述步骤中排液控制阀门与液位传感器联动，进行自动排液控制蒸发腔室内部的残留液量。

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