CN103363745B - 制冷装置及其温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制冷装置，包括蒸发器、压缩机、电磁阀、电子膨胀阀以及冷凝器，该电磁阀连接于压缩机并与该压缩机一起连接于冷凝器，该蒸发器连接有压缩机以及电子膨胀阀，并且该电子膨胀阀连接至冷凝器，该制冷装置还包括控制单元、过热度控制器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、压力传感器，该第一温度传感器、该第二温度传感器以及该压力传感器分别传输测量值至控制单元；该第三温度传感器和该压力传感器分别传输测量值至该过热度控制器，该过热度控制器与电子膨胀阀连接。本发明还提供了温控方法，该制冷装置及其温控方法，提高了制冷装置制冷量输出的响应时间，使温控系统很快进入稳定阶段，同时提高了温度控制精度。

Description

制冷装置及其温控方法

技术领域

本发明涉及制冷装置及利用制冷装置的温控方法，特别涉及应用于半导体刻蚀工艺的制冷装置及其温控方法。

背景技术

制冷作为温度控制设备必不可少的环节，其功能、性能的好坏直接决定着温度控制设备的温度控制范围、温度控制精度、响应速度、可靠性性能等，尤其在半导体刻蚀工艺中起着举足轻重的作用。

公开号为1380963A的中国专利公开了一种控制空调过热度的系统和方法。其通过位于蒸发器进出口的温度传感器采集的温度值之差计算出蒸发器的过热度值，并根据过热度设定值来控制电子膨胀阀的开度值。该过热度控制方法虽然在一定程度上提高了蒸发器的换热效率，但是忽略了由于蒸发器制冷剂管路压降引起的过热度修正值。此时本应该把电子膨胀阀的开度值开大使得过热度值降低，但采用专利1380963A描述的方法应该调小电子膨胀阀的开度，使得过热度值增大，以致压缩机吸气温度升高、效率降低，最终降低了制冷装置及温控方法的可靠性。

公开号为101587355A的中国专利公开了一种温度控制装置及其温度控制方法。该温度控制装置的制冷方式采用蒸汽压缩式制冷，通过位于压缩机吸气端的温度传感器采集的温度值和其预设温度值偏差来控制压缩机的占空比，并结合电子膨胀阀的开度值最终实现蒸发器出口温度的控制。图1示出了公开号为101587355A的中国专利中温度控制装置在半导体刻蚀工艺80度时温度控制装置对外部负载变化的响应时间曲线图。参照图1，虚线表示蒸发器载冷剂进口温度101，实线表示压缩机占空比102，该温度控制装置采用压缩机吸气端的温度值来控制压缩机制冷量的输出，对蒸发器出口的温度控制具有一定的滞后性、响应速度也较慢。同时在特定的刻蚀工艺条件下，电子膨胀阀开度为定值不随外部负载变化而调节，此时就相当于一般针阀，没有必要使用电子膨胀阀来时时调节阀的开度，这样就无形地增加了制造成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制冷装置及其温控方法，以解决过热度值增大导致压缩机吸气温度升高的问题，以及蒸发器出口的温度控制具有滞后性和响应速度慢的问题。

本发明提供一种制冷装置，所述制冷装置包括：蒸发器、压缩机、电磁阀以及冷凝器，该蒸发器、压缩机以及冷凝器依次串接，该电磁阀与该压缩机连接，该制冷装置还包括控制单元、第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器、电子膨胀阀、过热度控制器以及第三温度传感器，该第一温度传感器分别与该蒸发器的载冷剂侧出口以及用户负载连接，所述第一温度传感器测量负载进口温度，该第二温度传感器分别与该蒸发器的载冷剂侧进口以及用户负载连接，所述第二温度传感器测量负载出口温度，该压力传感器与该蒸发器的制冷剂侧出口连接；该第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器分别将测量值输入至该控制单元，该控制单元输出计算结果至该电磁阀，该电子膨胀阀与该蒸发器的制冷剂侧进口连接，该第三温度传感器与该蒸发器的制冷剂侧出口连接，并且该第三温度传感器与压力传感器分别连接至该过温度控制器，该过温度控制器连接至该电子膨胀阀，所述电子膨胀阀与所述蒸发器的制冷剂侧进口连接，所述第三温度传感器与所述蒸发器的制冷剂侧出口连接，并且所述第三温度传感器与所述压力传感器分别连接至所述过温度控制器，所述过温度控制器连接至所述电子膨胀阀。

本发明还提供一种利用该制冷装置进行温控的方法，该方法包括：该第一温度传感器测量的负载进口温度以及该第二温度传感器侧量的负载出口温度传输至该控制单元，该控制单元根据该负载进口温度、该负载出口温度以及载冷剂的物性参数和流量计算用户负载的热负载，该控制单元再根据算出的热负载、压缩机的性能参数以及制冷剂的物性参数计算该蒸发器制冷剂侧出口的制冷剂的压力目标值，所述压力目标值的确定与温度切换时所述压缩机吸气温度有关，必须保证所述吸气温度不超过阈值；压力传感器采集该蒸发器制冷剂侧出口的制冷剂的压力值，并将该压力值与压力目标值进行比较，如果该压力值与压力目标值相等，该压缩机通过压力值或者该压力目标值控制该制冷装置的温控精度，否则，该压缩机控制电磁阀占空比，使该蒸发器制冷剂侧出口的制冷剂的压力值达到该压力目标值，该压缩机通过压力目标值控制制冷装置的温控精度；

预设该制冷装置的过热度值，该第三温度传感器采集该蒸发器制冷剂侧出口的制冷剂的温度值，该过热度控制器根据制冷剂侧出口的温度值以及压力值计算该制冷装置的过热度目标值。将该过热度目标值与过热度值进行比较，如果该过热度目标值与过热度值相等，该过热度值控制制冷装置的温控精度，否则，过热度控制器根据过热度目标值与过热度值计算电子膨胀阀的目标开度值，该过热度控制器控制电子膨胀阀，使该电子膨胀阀的开度达到目标开度值，进而使制冷装置达到预设的过热度值，该过热度值控制制冷装置的温控精度。

最后，根据该压力目标值以及过热度值计算该制冷装置的温控精度的目标值。

优选地，该温控精度的范围为-20℃至80℃。

本发明提供的制冷装置及其温控方法，通过采集压缩机的吸气压力来控制压缩机，而不采集压缩机的吸气温度，提高了制冷装置根据外部负载温度波动制冷量输出的响应时间，使温控系统很快进入稳定阶段，同时提高了温度控制精度。

进一步地，本发明采用的过热度计算方法为蒸发器侧出口过热蒸汽温度值与蒸发器侧出压力值对应的饱和温度值之差，而不是蒸发器侧进出口制冷剂温度差值。制冷装置通过此计算方法计算出的过热度来控制电子膨胀阀的开度不仅提高了蒸发器的换热效率，而且提高了压缩机的效率、制冷装置及温控方法的可靠性。

附图说明

参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，

图1示出了公开号为101587355A的中国专利中温度控制装置在半导体刻蚀工艺80度时温度控制装置对外部负载变化的响应时间曲线图；

图2为制冷装置的结构示意图；

图3为使用制冷装置的温控方法流程结构图；

图4为刻蚀腔内的温度控制在80℃时压缩机占空比与蒸发器制冷剂的制冷剂侧出口压力值对应关系的曲线图；

图5为刻蚀腔内的温度控制在80℃时过热度与电子膨胀阀开度对应关系的曲线图；

图6为刻蚀腔内的温度控制在80℃时温度控制精度与蒸发器载冷剂侧进出口温度对应关系的曲线图；

图7为制冷装置在半导体刻蚀温度在80℃时制冷装置对外部负载变化的响应时间曲线图；

图8为刻蚀腔内的温度控制在-20℃时压缩机占空比与蒸发器制冷剂的制冷剂侧出口压力值对应关系的曲线图；

图9为刻蚀腔内的温度控制在-20℃时过热度与电子膨胀阀开度对应关系的曲线图；

图10为刻蚀腔内的温度控制在-20℃时温度控制精度与蒸发器载冷剂侧进出口温度对应关系的曲线图；以及

图11为制冷装置在半导体刻蚀温度在-20℃时制冷装置对外部负载变化的响应时间曲线图。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。在整个描述中，相同的附图标记表示相同的部件。

本发明提供的制冷装置及其温控方法，通过采集压缩机的吸气压力来控制压缩机，而不采集压缩机的吸气温度，提高了制冷装置根据外部负载温度波动制冷量输出的响应时间，使温控系统很快进入稳定阶段，同时提高了温度控制精度。

图2为制冷装置的结构示意图。参照图2，制冷装置200包括蒸发器201、压缩机202、电磁阀203以及冷凝器205，该蒸发器201、压缩机202以及冷凝器205依次串接，该电磁阀203与该压缩机202连接，该制冷装置200还包括控制单元206、第一温度传感器208、第二温度传感器209、压力传感器211，该第一温度传感器208分别与该蒸发器201的载冷剂侧出口212以及用户负载216连接，该第一温度传感器208测量负载进口温度，该第二温度传感器209分别与该蒸发器201的载冷剂侧进口213以及用户负载216连接，该第二温度传感器209测量负载出口温度，该压力传感器211与该蒸发器201的制冷剂侧出口214连接；该第一温度传感器208、第二温度传感器209、压力传感器211分别将测量值输入至该控制单元206，该控制单元206输出计算结果至该电磁阀203。

制冷装置200还包括电子膨胀阀204、过热度控制器207以及第三温度传感器210，电子膨胀阀204与蒸发器201的制冷剂侧进口215连接，第三温度传感器210与蒸发器201的制冷剂侧出口215连接，并且该第三温度传感器210与压力传感器211分别连接至过温度控制器207，该过温度控制器207连接至该电子膨胀阀204。第三温度传感器210和压力传感器211分别传输测量值至过热度控制器207，过热度控制器207计算过热度目标值。

过热度计算方法为蒸发器201侧出口过热蒸汽温度值与蒸发器201侧出压力值对应的饱和温度值之差，而不是蒸发器201侧进出口制冷剂温度差值。制冷装置200通过此计算方法计算出的过热度来控制电子膨胀阀204的开度不仅提高了蒸发器201的换热效率，而且提高了压缩机202的效率，增强了制冷装置200及对应的温控方法的可靠性。

图3为使用制冷装置的温控方法流程结构图。参照图3，利用制冷装置200进行温控的方法包括以下步骤：

步骤301：第一温度传感器208测量的负载进口温度以及第二温度传感器209测量的负载出口温度传输至控制单元206；在步骤301中，蒸发器201的载冷剂从用户负载216的一端流入，从而使第一温度传感器208测量负载进口温度；蒸发器201的载冷剂从用户负载216的另一端流出，从而使第二温度传感器209测量的负载出口温度。

步骤302：控制单元206根据负载进口温度、负载出口温度以及载冷剂的物性参数和流量计算用户负载216的热负载；

步骤303：控制单元206根据计算出的热负载、压缩机202的性能参数以及制冷剂的物性参数计算蒸发器201制冷剂的制冷剂侧出口214的压力目标值，压力目标值的确定跟温度切换时压缩机202吸气温度有关，必须保证该吸气温度不超过阈值；

步骤304：压力传感器211采集蒸发器201制冷剂的制冷剂侧出口214的压力值；

步骤305：比较该压力值与压力目标值，如果该压力值与压力目标值相等，压缩机202通过压力值或者该压力目标值控制制冷装置200的温控精度，否则进行步骤306：该压缩机202控制电磁阀203占空比，使该蒸发器201制冷剂的制冷剂侧出口214的压力值达到该压力目标值，该压力目标值控制制冷装置200的温控精度；

步骤307：预设该制冷装置200的过热度值；

步骤308：第三温度传感器210采集蒸发器201中制冷剂的制冷剂侧出口214的温度值；

步骤309：过热度控制器207根据制冷剂侧出口214的温度值以及压力值计算制冷装置200的过热度目标值；

步骤310：比较过热度目标值与过热度值，如果该过热度目标值与过热度值相等，该过热度值控制制冷装置200的温控精度，否则，进行步骤311：过热度控制器207根据过热度目标值与过热度值计算电子膨胀阀204的目标开度值，该过热度控制器207控制电子膨胀阀204，使该电子膨胀阀204的开度达到目标开度值，进而使制冷装置200达到预设的过热度值，该过热度值控制制冷装置200的温控精度。

步骤312：根据压力目标值以及过热度值计算该制冷装置的温控精度的目标值。

本发明通过采集压缩机202的吸气压力来控制压缩机，而不采集压缩机202的吸气温度，提高了制冷装置根据外部负载温度波动制冷量输出的响应时间，使温控系统很快进入稳定阶段，同时提高了温度控制精度。

该压力目标值对该过热度目标值有影响。在本实施例中的步骤309中，过热度目标值的计算方法为蒸发器201侧出口过热蒸汽温度值与蒸发器201侧出压力值对应的饱和温度值之差，而不是蒸发器201侧进出口制冷剂温度差值。制冷装置通过此计方法计算出的过热度目标值来控制电子膨胀阀204的开度，不仅提高了蒸发器201的换热效率，而且提高了压缩机202的效率、制冷装置200及温控方法的可靠性。

在半导体刻蚀工艺中，使用本发明的制冷装置200可以将刻蚀腔内部温度控制在范围-20℃至80℃。载冷剂的流量范围在每分钟8升至每分钟12升。在本实施例中，载冷剂的型号为HT-135，载冷剂的流量达到每分钟10升，制冷剂的型号为R404A，确定刻蚀腔内的温度分别控制在80℃以及-20℃。

图4为刻蚀腔内的温度控制在80℃时压缩机占空比与蒸发器制冷剂的制冷剂侧出口压力值对应关系的曲线图。参照图4，虚线表示压缩机202占空比401，实线表示蒸发器201制冷剂侧出口压力值402，半导体刻蚀工艺包括不同阶段，释放的热量不同，制冷装置200根据外部热负荷的变化特性快速准确地输出制冷剂流量，与热负荷相平衡。制冷装置200中的控制单元206根据第一温度传感器208测量的负载进口温度、第二温度传感器209测量的负载出口温度以及载冷剂的物性参数和流量计算用户热负载，控制单元206再根据算出的热负载、压缩机202的性能参数以及制冷剂的物性参数计算蒸发器201制冷剂的制冷剂侧出口214的压力目标值；压力传感器211采集蒸发器201制冷剂的制冷剂侧出口214的压力值，并将压力值与压力目标值进行比较，压缩机202控制电磁阀203占空比，使该蒸发器201制冷剂的制冷剂侧出口214的压力值达到该压力目标值，该压力目标值为4.3Bar。同时目标压力值的确定与80℃工况时和80℃切换20℃工况时压缩机202的吸气温度值有关，必须保证这两种情况吸气温度不超过阀值15℃。

图8为刻蚀腔内的温度控制在-20℃时压缩机占空比与蒸发器制冷剂的制冷剂侧出口压力值对应关系的曲线图。参照图8，虚线表示压缩机202占空比801，实线表示蒸发器201制冷剂侧出口压力值802，蒸发器201制冷剂侧出口压力值802的压力控制精度为±0.4。

图5为刻蚀腔内的温度控制在80℃时过热度与电子膨胀阀开度对应关系的曲线图。参照图5，虚线表示过热度501，实线表示电子膨胀阀204的开度502。预设过热度值，虽然过热度会带来增加单位容积制冷量的好处，但是也会带来压缩机202排气温度升高的不利影响，再加上80℃高温载冷剂HT-135流经蒸发器201，进而导致压缩机202排气温度进一步升高。为了保证压缩机202排气温度不至于太高、压缩机202运行的可靠性和寿命，根据本发明的控温方法经过长时间制冷装置200的调试工作，得出过热度为3℃最合适。

图9为刻蚀腔内的温度控制在-20℃时过热度与电子膨胀阀开度对应关系的曲线图。参照图9，虚线表示过热度901，实线表示电子膨胀阀204的开度902。当刻蚀腔内的温度控制在-20℃时，过热度为2.5℃最合适。

图6为刻蚀腔内的温度控制在80℃时温度控制精度与蒸发器载冷剂侧进出口温度对应关系的曲线图。参照图6，虚线表示蒸发器201载冷剂入口温度601，实线表示蒸发器201载冷剂出口温度602。根据控制电子膨胀阀204的开度调节以及控制压缩机202的占空比，保证刻蚀腔内部温度控制为80±0.2℃，达到温控精度为±0.2℃。

图10为刻蚀腔内的温度控制在-20℃时温度控制精度与蒸发器载冷剂侧进出口温度对应关系的曲线图。参照图10，虚线表示蒸发器201载冷剂入口温度1001，实线表示蒸发器201载冷剂出口温度1002。根据控制电子膨胀阀204的开度调节以及控制压缩机202的占空比，保证刻蚀腔内部温度控制为-20±0.2℃，达到温控精度为±0.2℃。

图7为制冷装置在半导体刻蚀温度在80℃时制冷装置对外部负载变化的响应时间曲线图；图11为制冷装置在半导体刻蚀温度在-20℃时制冷装置对外部负载变化的响应时间曲线图。参照图7，虚线表示蒸发器201载冷剂进口温度701，实线表示压缩机202占空比702；参照图11，虚线表示蒸发器201载冷剂进口温度1101，实线表示压缩机202占空比1102。

参照图7、图11以及图1，本实施例的制冷装置200采用吸气压力而不是吸气温度来控制压缩机202的占空比，其响应时间比图1对应的温度控制装置对外部负载变化的响应时间快了50秒，使温控系统很快进入稳定阶段，同时提高了温度控制精度。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种制冷装置，包括蒸发器、压缩机、电磁阀以及冷凝器，所述蒸发器、压缩机以及冷凝器依次串接，所述电磁阀与所述压缩机连接，其特征在于，该制冷装置还包括控制单元、第一温度传感器、第二温度传感器、压力传感器、电子膨胀阀、过热度控制器以及第三温度传感器，所述第一温度传感器分别与所述蒸发器的载冷剂侧出口以及用户负载连接，所述第一温度传感器测量负载进口温度，所述第二温度传感器分别与所述蒸发器的载冷剂侧进口以及用户负载连接，所述第二温度传感器测量负载出口温度，所述压力传感器与所述蒸发器的制冷剂侧出口连接；所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述压力传感器分别将测量值输入至所述控制单元，所述控制单元输出计算结果至所述电磁阀，所述电子膨胀阀与所述蒸发器的制冷剂侧进口连接，所述第三温度传感器与所述蒸发器的制冷剂侧出口连接，并且所述第三温度传感器与所述压力传感器分别连接至所述过热度控制器，所述过热度控制器连接至所述电子膨胀阀。

2.一种利用权利要求1所述的制冷装置进行温控的方法，其特征在于，包括：

步骤301:所述第一温度传感器测量的负载进口温度以及所述第二温度传感器侧量的负载出口温度传输至所述控制单元；

步骤302:所述控制单元根据所述负载进口温度、所述负载出口温度、载冷剂的物性参数和流量计算用户负载的热负载；

步骤303:所述控制单元根据所述热负载、所述压缩机的性能参数以及制冷剂的物性参数计算所述蒸发器制冷剂侧出口的制冷剂的压力目标值，所述压力目标值的确定与温度切换时所述压缩机吸气温度有关，必须保证所述吸气温度不超过阈值；

步骤304:所述压力传感器采集所述蒸发器制冷剂侧出口的制冷剂的压力值；

步骤305:将所述压力值与所述压力目标值进行比较,如果所述压力值与所述压力目标值相等，所述压缩机通过所述压力值或者所述压力目标值控制所述制冷装置的温控精度，否则进行步骤306至步骤310；

步骤306:所述压缩机控制所述电磁阀占空比，使所述蒸发器制冷剂侧出口的制冷剂的压力值达到所述压力目标值，所述压缩机通过所述压力目标值控制所述制冷装置的温控精度；

步骤307:预设所述制冷装置的过热度值；

步骤308:所述第三温度传感器采集所述蒸发器制冷剂侧出口的制冷剂的温度值；

步骤309:所述过热度控制器根据所述制冷剂侧出口的温度值以及压力值计算所述制冷装置的过热度目标值；

步骤310:将所述过热度目标值与所述过热度值进行比较，如果所述过热度目标值与所述过热度值相等，所述过热度值控制所述制冷装置的温控精度，否则进行步骤311；

步骤311:所述过热度控制器根据所述过热度目标值与所述过热度值计算所述电子膨胀阀的目标开度值，所述过热度控制器控制所述电子膨胀阀，使所述电子膨胀阀的开度达到目标开度值，进而使所述制冷装置达到预设的所述过热度值，所述过热度值控制制冷装置的温控精度；

步骤312:根据所述压力目标值以及所述过热度值计算所述制冷装置的温控精度的目标值。

3.根据权利要求2的温控方法，其特征在于，所述温控精度的范围为-20℃至80℃。