CN101221006A - 一种提高制冷系统可靠性及效率的温控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其包含依次连接的温度采集模块，控制器，功率驱动模块和半导体制冷模块；该温度采集模块由温度传感器和激励源组成；该半导体制冷模块包含2个相同的、由若干制冷片机械连接构成的半导体制冷器；该控制器采用PLC控制器；该功率驱动模块分别连接2个半导体制冷器。本发明可提高制冷系统的可靠性和制冷效率，同时在发生故障时能及时调整，保证制冷功率，不影响温控效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于半导体制造业中光刻机的温控系统，尤其涉及一种能提高光刻机制冷系统可靠性及效率的温控装置。
背景技术
在半导体制造生产线中，光刻机具有长时间处于工作或者处于待机状态的特点，这需要其内部环境处于恒温状态，因此对于保证其内部环境温度的温度控制系统(TCU)有严格的稳定性与可靠性要求。一般TCU主要是由加热系统与制冷系统构成。其中，加热系统是通过通电电阻加热来实现的，其工作原理简单，加热功率稳定，可靠性高。因此，制冷系统则成了TCU可靠性的关键。
目前德国有使用的一种TCU，其采用压缩机制冷方式。主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流电磁阀组成，其中，压缩机压缩气态冷凝剂，将其转变成液体状态，并送入蒸发器与温控对象进行热交换气化带出热量，从而实现制冷功能，同时通过控制节流电磁阀的开关频率来控制制冷量的大小。
上述制冷系统的制冷方式控制方法简单，技术成熟，但长时间运行后会有制冷剂会产生泄漏的情况发生，从而影响制冷功率，并进一步影响温度控制性能。另外，由于长期的机械传动与运动中产生的磨损会降低制冷系统的寿命。
另外，目前在韩国也有使用的一种TCU，其为了提高制冷系统的可靠性，采用半导体制冷的方式。该TCU具有不需要制冷剂、无泄漏、没有机械传动、无磨损、可靠性高等特点。这个TCU对于几十瓦小功率的半导体制冷系统有很好的使用效果和很广泛的应用范围。但是，光刻机中需要几千瓦的制冷效率，由于大功率的半导体制冷技术尚不成熟，因此，光刻机中的制冷系统使用了两套半导体制冷机组。工作时一台半导体制冷器制冷工作，另一台不工作，仅作为备用部件使用。当半导体制冷器发生故障时，自动切换到备用半导体制器制冷。这种制冷方式解决了上述所说的压缩机制冷的缺点，备用系统也提高了制冷系统的可靠性。
然而，该TCU正常工作时，仅靠一台半导体制冷器来承担全部的制冷功率，而备用半导体制冷器则长期处于闲置不工作状态。因为制冷片工作电流较大，则长期处于工作状态的半导体制冷器的制冷片也长期处于高电流状态，由此制冷片容易烧坏，影响制冷器的寿命。而备用的半导体制冷器由于长期不使用，其制冷性能会受到影响，制冷功率也会发生偏差，如果自动切换使用将涉及电磁阀的切换，从而影响到电磁阀可靠性，进一步降低整个TCU的整体可靠性。另外，半导体制冷器的制冷片在大功率容量情况下，其耗能大、效率低，因此该制冷系统的制冷效率也较低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，同时在发生故障时能及时调整，保证制冷功率，不影响温控效果。
为达上述目的，本发明提供一种提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其包含依次连接的温度采集模块，控制器，功率驱动模块和半导体制冷模块；特点是，
所述的温度采集模块由温度传感器和激励源组成；该温度传感器将检测到的控制对象的温度值传送至控制器；
所述的半导体制冷模块包含2个相同的、由若干制冷片机械连接构成的半导体制冷器；该半导体制冷器包含循环水通道和冷却水通道；
所述的控制器采用PLC控制器，其根据收到温度传感器检测到的控制对象的温度值与温度目标值作比较，并根据半导体制冷器当前的工作状态，输出相应的电流信号至功率驱动模块，用以决定制冷输出量的大小；
所述的功率驱动模块分别连接2个半导体制冷器，将控制器输出的电流信号转化为半导体制冷器所需的工作电流，为其供电，并通过该提供给半导体制冷器的工作电流实现对制冷量的控制调节。
进一步，本发明还包含一检测模块，其输入端分别连接2个半导体制冷器，输出端连接控制器。
所述的检测模块由带有辅助触头的起动器和漏电检测继电器组成；所述的漏电检测继电器与起动器能及时检测并发现2个半导体制冷器在工作中的异常故障情况，包括过流或漏电，并将该异常故障信号传送至控制器，由控制器控制该发生异常故障的半导体制冷器停止工作。
本发明还包含一电磁阀装置，其和控制器连接，控制半导体制冷器的供水；当控制器检测到某一个半导体制冷器故障时，将关闭控制该通道的电磁阀装置以切断该回路的水流，确保循环水全部经过正常工作的半导体制冷器冷却，使得发生切换过程时不影响制冷模块的制冷效果。
所述的温度传感器为热敏电阻，或者热电偶，或者铂电阻。
所述的激励源为恒压源，或者恒流源。
所述的2个半导体制冷器的循环水通道并联连接，或者串联连接；用于对光刻机内部发热元件进行冷却的循环介质进行制冷冷却。
所述的2个半导体制冷器的冷却水通道串联连接；用于对半导体制冷器内部热量进行制冷冷却。
所述的半导体制冷器的额定制冷功率为本发明所述的温控装置的所需功率。
所述的功率驱动模块包含一角度继电器，其输出端分别连接2个带触头起动器，所述的2个的带触头起动器分别依次连接漏电流继电器、继电器和整流器；所述的角度继电器将控制器输出的电流信号转化成电压信号输出，分别通过2整流器转化成直流电输出至2个半导体制冷器；控制器通过控制继电器实现功率驱动模块的通断。
本发明提供的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，具有以下优点：
1、本发明正常工作时，2个半导体制冷器同时工作，同等制冷功率下每个半导体制冷器能以一半功率运行，制冷片的工作电流也降低至原先的一半左右，这样不易在制冷片的热端积聚大量热量，能延长每个制冷片的使用寿命，从而提高整个温控装置的可靠性。
2、本发明具有自动备用功能，正常工作时两台半导体制冷器同时工作，但当其中一台半导体制冷器发生故障时，控制器会切断其工作电路，并使循环介质全部从另一台半导体制冷器的循环通道流过。同时控制器通过对应的功率驱动装置中的起动器断开故障半导体制冷器的供电，并且通过调节输出电流信号的大小使正常半导体制冷器的电流升高，使其制冷功率与两台同时工作时保持相同，不影响温度控制的效果。该自动备用功能使得一台半导体制冷器故障时，温控装置仍能正常工作，提高了温控装置的可靠性。
3、本发明正常工作时为两台半导体制冷器同时工作，对比一台半导体制冷器制冷，其每片制冷片的制冷功率低，制冷效率得到提高，系统整体制冷效率得到提高。
附图说明
图1是实现本发明提供的温控装置的实施例1的制冷系统管路原理图；
图2是本发明提供的温控装置的控制原理框图；
图3是本发明提供的温控装置的功率驱动模块的电路图；
图4是实现本发明提供的温控装置的实施例2的制冷系统管路原理图。
具体实施方式
以下结合图1-图4，详细说明本发明较佳的实施方式：
如图2所示，本发明提供一种提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其包含依次连接的温度采集模块101，控制器102，功率驱动模块104和半导体制冷模块105；特点是，
所述的温度采集模块101由温度传感器和激励源组成；该温度传感器将检测到的控制对象的温度值传送至控制器102；所述的温度传感器为热敏电阻，或者热电偶，或者铂电阻；所述的激励源为恒压源，或者恒流源；
本实施方式中，所述的温度传感器可以采用PT100铂电阻。
所述的半导体制冷模块105包含2个相同的、由若干制冷片机械连接构成的半导体制冷器9、10；所述的半导体制冷器9、10的额定制冷功率为本发明所述的温控装置的所需功率；
所述的制冷片采用热电制冷工作原理，直流电通过与金属片接触的P型半导体材料与N型半导体材料时，由于载流子的势能不同会在接触点处发生能量的传递与转换，在制冷片的两边形成冷端与热端；其冷热端的温差与其工作电流有如下关系：
其中，Th为制冷片热端温度，Tc为制冷片冷端温度，K为导热系数，ap为P型半导体材料的温差电系数，aN为N型半导体材料的温差电系数，I为工作电流，R为电热元件电阻。
该半导体制冷器9、10包含循环水通道和冷却水通道；所述的2个半导体制冷器9、10的循环水通道并联连接，或者串联连接；用于对光刻机内部发热元件进行冷却的循环介质进行制冷冷却；所述的2个半导体制冷器9、10的冷却水通道串联连接；用于对半导体制冷器9、10的内部热量进行制冷冷却。
所述的控制器102是本发明温控装置的核心模块，采用PLC控制器，其根据收到温度传感器检测到的控制对象的温度值与温度目标值作比较，并根据半导体制冷器9、10当前的工作状态，输出相应的电流信号至功率驱动模块104，用以决定制冷输出量的大小。
如图3所示，所述的功率驱动模块104分别连接2个半导体制冷器9、10，将控制器102输出的电流信号转化为半导体制冷器9、10所需的工作电流，为其供电，并通过该提供给半导体制冷器9、10的工作电流实现对制冷量的控制调节；由于控制器102输出的电流信号的范围是4～20mA，而半导体制冷器9、10需要的是0～16A范围内的直流工作电流；故功率驱动模块104进行相应转化提供半导体制冷器9、10所需的0～16A的直流工作电流；
所述的功率驱动模块104包含一角度继电器41，其输出端分别连接2个带触头起动器42，所述的2个的带触头起动器42分别依次连接漏电流继电器43、继电器44和整流器45；所述的角度继电器41将控制器102输出的4～20mA的电流信号相应转化成0～500VAC的电压信号输出，分别通过2整流器45转化成0～16A的直流电输出至2个半导体制冷器9、10；控制器102通过控制继电器44实现功率驱动模块104的通断。
本发明还包含一检测模块106，其输入端分别连接半导体制冷模块105的2个半导体制冷器9、10，输出端连接控制器102；
所述的检测模块106由带有辅助触头的起动器和漏电检测继电器组成；所述的起动器和漏电检测继电器能及时检测并发现2个半导体制冷器9、10在工作中的异常故障情况，包括过流或漏电，并将该异常故障信号传送至控制器102，由控制器102控制该发生异常故障的半导体制冷器9或10停止工作。
本发明还包含一电磁阀装置103，其和控制器102连接，控制半导体制冷器9和10的供水；当控制器102检测到某一个半导体制冷器故障时，将关闭控制该通道的电磁阀装置103以切断该回路的水流，确保循环水全部经过正常工作的半导体制冷器冷却，使得发生切换过程时不影响制冷模块的制冷效果。
实施例1
如图1所示，是实现本发明提供的温控装置的实施例1的制冷系统管路原理图；其中两台半导体制冷器9和10的循环水通道以并联方式连接，循环介质冷却光刻机内部发热元件后通过进水接口8流入，经一个三通阀11分流成两路流入两个半导体制冷器9与10进行制冷，冷却后的循环介质通过三通阀14集流后，通过出水接口5送入水箱进入下一步控制。
同时，两台半导体制冷器9和10的冷却水通道采用串联方式连接，冷却水供应装置1通过进水接口2将冷却水先送入半导体制冷器10，带出其内部转移与产生的热量，然后进入半导体制冷器9，其内部转移与产生的热量，最后通过回水接口13排出，回到冷却水供应装置1；其中，电磁阀4用来控制冷却水的通断，流量开关3用来监测冷却水回路是否有流量。
另外，电磁阀7与12分别控制半导体制冷器10与9的供水，正常工作时，电磁阀7与12导通能够保证两个半导体制冷器10与9同时工作，但是当本发明的温控装置的检测模块106检测到其中一个半导体制冷器(如9)发生故障，即控制器102控制其相应的电磁阀12关合，以阻止循环介质从该方向流走，同时保证另一个半导体制冷器10与电磁阀7的正常工作状态。
实施例2
如图4所示，是实现本发明提供的温控装置的实施例2的制冷系统管路原理图；其中，两台半导体制冷器9与10的循环水通道以串联方式连接，循环介质冷却光刻机内部发热元件后通过进水接口8流入，先经半导体制冷器9制冷后再经过半导体制冷器10制冷，通过出水接口5送入水箱进入下一步控制。
同时，两台半导体制冷器9和10的冷却水通道也采用串联方式连接，冷却水供应装置1通过进水接口2将冷却水先送入半导体制冷器10，带出其内部转移与产生的热量，然后进入半导体制冷器9，带出其内部转移与产生的热量，最后通过回水接口13排出，回到冷却水供应装置1；其中，图中电磁阀4用来控制冷却水的通断，流量开关3用来监测冷却水回路是否有流量。
另外，电磁阀7控制半导体制冷器9、10的供水，正常工作时，电磁阀7导通两个半导体制冷器9、10同时制冷工作；当本发明的温控装置的检测模块106检测到其中一个半导体制冷器(如9)发生故障，另一个半导体制冷器10继续制冷工作，但是控制器102不切断电磁阀7，保持其工作状态不变。
根据上述，本发明提供的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，具有以下优点：
1、由于半导体制冷器是将制冷片的冷热端紧贴冷热腔体，然后密封，并采用热电制冷工作原理，即当工作电流增大时，制冷片两端温差将增大，相同传热结构下其积聚热量会增多、长期在该状态下运行会降低制冷片的使用寿命，严重会导致烧片现象；但是本发明正常工作时，2个半导体制冷器同时工作，同等制冷功率下每个半导体制冷器能以一半功率运行，制冷片的工作电流也降低至原先的一半左右，导致制冷片冷热端的温差将减小，这样不易在制冷片的热端积聚大量热量，能延长每个制冷片的使用寿命，从而提高整个温控装置的可靠性。
2、本发明具有自动备用功能，正常工作时两台半导体制冷器同时工作，但当其中一台半导体制冷器发生故障时，控制器会切断其工作电路，使循环介质全部从另一台半导体制冷器的循环通道流过。同时控制器通过对应的功率驱动装置中的起动器断开故障半导体制冷器的供电，并且通过调节输出电流信号的大小使正常半导体制冷器的电流升高，使其制冷功率与两台同时工作时保持相同，不影响温度控制的效果。该自动备用功能使得一台半导体制冷器故障时，温控装置仍能正常工作，提高了温控装置的可靠性。
3、由于制冷片在大容量的情况下，耗能大，效率低，但是如果降低其制冷功率控制在一定范围内，就可以提高制冷效率；本发明正常工作时为两台半导体制冷器同时工作，对比一台半导体制冷器制冷，其每片制冷片的制冷功率低，制冷效率得到提高，从而系统整体制冷效率得到提高。
Claims (10)
1.一种提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，包含依次连接的温度采集模块，控制器，功率驱动模块和半导体制冷模块；其特征在于，
所述的温度采集模块由温度传感器和激励源组成；该温度传感器将检测到的控制对象的温度值传送至控制器；
所述的半导体制冷模块包含2个相同的、由若干制冷片机械连接构成的半导体制冷器；该半导体制冷器包含循环水通道和冷却水通道；
所述的控制器采用PLC控制器，其根据收到温度传感器检测到的控制对象的温度值与温度目标值作比较，并根据半导体制冷器当前的工作状态，输出相应的电流信号至功率驱动模块，用以决定制冷输出量的大小；
所述的功率驱动模块分别连接2个半导体制冷器，将控制器输出的电流信号转化为半导体制冷器所需的工作电流，为其供电，并通过该提供给半导体制冷器的工作电流实现对制冷量的控制调节。
2.如权利要求1所述的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其特征在于，还包含一检测模块，其输入端分别连接2个半导体制冷器，输出端连接控制器。
3.如权利要求2所述的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其特征在于，所述的检测模块由带有辅助触头的起动器和漏电检测继电器组成；该漏电检测继电器和起动器检测出2个半导体制冷器在工作中的过流或漏电异常故障情况，并将该异常故障信号传送至控制器，由控制器控制该发生异常故障的半导体制冷器停止工作。
4.如权利要求1所述的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其特征在于，还包含一电磁阀装置，其和控制器连接，控制半导体制冷器的供水；当控制器检测到某一个半导体制冷器故障时，将关闭控制该通道的电磁阀装置以切断该回路的水流。
5.如权利要求1所述的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其特征在于，所述的温度传感器为热敏电阻，或者热电偶，或者铂电阻。
6.如权利要求1所述的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其特征在于，所述的激励源为恒压源，或者恒流源。
7.如权利要求1所述的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其特征在于，所述的半导体制冷器的额定制冷功率为所述的温控装置的所需功率。
8.如权利要求1所述的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其特征在于，所述的2个半导体制冷器的循环水通道并联连接，或者串联连接；用于对光刻机内部发热元件进行冷却的循环介质进行制冷冷却。
9.如权利要求1所述的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其特征在于，所述的2个半导体制冷器的冷却水通道串联连接；用于对半导体制冷器内部热量进行制冷冷却。
10.如权利要求1所述的提高制冷系统可靠性及效率的温控装置，其特征在于，所述的功率驱动模块包含一角度继电器，其输出端分别连接2个带触头起动器，所述的2个的带触头起动器分别依次连接漏电流继电器、继电器和整流器；
所述的角度继电器将控制器输出的电流信号转化成电压信号输出，分别通过2整流器转化成直流电输出至2个半导体制冷器；控制器通过控制继电器实现功率驱动模块的通断。
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