CN107270581A - 一种桥式双向控温系统 - Google Patents

一种桥式双向控温系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种桥式双向控温系统,属于温控设备技术领域,包括压缩机、压力控制装置、冷凝器、储液罐、干燥过滤器、视液镜、蒸发器和气液分离器、冷旁通路、热气旁通路,由4个单向阀构成的桥式单向阀组以及由四个电磁阀构成的桥式电磁阀组;通过切换桥式电磁阀组两个电磁阀与另两个电磁阀的不同开关状态,使得本双向控温系统处于制冷或热泵模式;同时,通过该桥式电磁阀组有效解决常规四通换向阀使用寿命短的缺陷;本桥式双向控温系统可节约运行时的能耗,起到节能作用。

Description

一种桥式双向控温系统
技术领域
本发明属于温控设备技术领域,特别涉及一种桥式双向控温系统。
背景技术
在半导体产品加工过程中,对加工环境温度有着很苛刻的要求。对半导体材料加工过程中,需要维持恒定的环境温度。目前常用的控温方式是采用专用的温控设备来产生恒温载冷剂,通过持续向半导体加工平台内供应恒温载冷剂,利用该载冷剂与平台的热传导带走加工过程中产生的热量,维持半导体加工平台的恒温状态。
目前半导体行业内较常用的控温设备,采用制冷系统配合加热器系统的方式进行控温,该类温控设备的结构组成及工作原理如图1所示,由制冷系统配合加热器系统共同组成一套控温设备,制冷系统和加热器系统共同参与控温过程;制冷系统包括:压缩机1、压力控制装置2、冷凝器3、储液器4、干燥过滤器5、视液镜6、2个电子膨胀阀(7、9)、3个电磁阀(8、10、21)、毛细管11、蒸发器12以及气液分离器13,该制冷系统采用氟利昂制冷剂;加热器系统包括循环泵14、加热器15、热负载设备16、缓冲水箱17、2个球阀(18、20)和1个单向阀19;通过蒸发器12连接制冷系统与加热器系统,通过冷凝器3的第三端口、第四端口分别与外部的冷却水管路(a、b)连接;其中,制冷系统中,压力控制装置2与压缩机1相连用于控制和显示压缩机1内的压力值,压缩机1、冷凝器3、储液器4、干燥过滤器5、视液镜6、第一电子膨胀阀7、蒸发器12和气液分离器13依次连接形成制冷环路,在视液镜6与气液分离器13入口之间并联设有由第一电磁阀8和第二电子膨胀阀9串联构成的冷旁通路,在压缩机1出口与气液分离器13入口之间并联设有由第二电磁阀10和毛细管11串联构成的热旁通路,在压缩机1出口1b与蒸发器12的第一端口之间并联设有由第三电磁阀21构成的热气旁通路(该热气旁通路在高温工况下由程序控制进行不同程度的开启,使高温工况下压缩机排气压力不至于过高);加热器系统中,加热器15、热负载设备16、缓冲水箱17、第一球阀18、单向阀19和循环泵14依次连接,加热器15的入口与蒸发器12的第三端口连接,循环泵14的出口与蒸发器12的第四端口连接,在加热器15的入口15a与缓冲水箱17之间并联设有用于控制进入负载设备16循环液流量的第二球阀20。
该温控设备的工作原理为:循环液(即参与循环的制冷剂液体)进入上述控温设备后,首先经过蒸发器12内,制冷系统对循环液进行降温,然后流经加热器15升温,最终达到目标温度值后进入负载设备16内。该温控设备的具体工作过程为:经压缩机1压缩后的高温高压制冷剂过热蒸气大部分进入冷凝器3内与从冷却水管路a进入冷凝器3内的冷却水发生热交换放热,成为高压过冷液体,少部分通过第二电磁阀10和毛细管11后回到气液分离器13入口,另外一小部分通过第三电磁阀21喷射至蒸发器12第一端口。由于不同工况下制冷剂的循环量不同,将多余的制冷剂液体存储在储液器4内部,参与循环的制冷剂液体经过干燥过滤器5去除水分及杂质,通过用于显示制冷系统含水量的视液镜6,随后大部分制冷剂液体经过电子膨胀阀7后进入蒸发器12,少部分制冷剂液体通过电磁阀8和电子膨胀阀9后回到气液分离器13入口。由电磁阀10和毛细管11构成的热气旁通路与电磁阀8和电子膨胀阀9构成的冷旁通路共同调节压缩机1的吸气温度。加热器系统沿管路d向热负载设备16内通入恒温载冷剂,使热负载设备16内半导体加工平台温度维持在恒温状态,同时吸收加工过程中产生的热量,吸收热量后的载冷剂,沿管路c进入膨胀水箱17,经由第一球阀18和单向阀19后由循环泵14首先进入制冷系统的蒸发器12内,制冷系统在蒸发器12内将循环液冷却至低温,低温状态的循环液再进入加热器15内,由加热器15提供热量,使循环液温度达到要求的恒定温度值。根据设备对循环液流量的不同需求,通过控制第二球阀20的开启度实现对进入热负载设备16的流量控制;具体地,当热负载设备16所需循环液较少时,增大第二球阀20的开启度使得多余的循环液存储在膨胀水箱17内,当热负载设备16所需循环液较多时,减小第二球阀20的开启度使得更多的循环液进入热负载设备16。
该控温设备内制冷系统的制冷能力大小的调节可通过PLC(Programmable LogicController,可编程逻辑控制器)实现,使进入蒸发器12的循环液温度降低到一个合适的温度点。经过降温后的循环液进入加热器15,PLC根据加热器15出口温度和目标温度值的差异大小来确定加热器15的输出功率,最终使循环液温度稳定在目标温度值。
目前行业内温控设备,采用“制冷系统—加热器系统”方式,存在的技术缺陷是能量的利用效率低。对于一台热负荷为QM的半导体加工设备,不考虑切换温度时的功率需求的情况下,相匹配的温控设备正常运行时的输入功率为QN,QN的计算方式可以简化为式(1):
式中,QN为温控设备输入功率;Q1为制冷系统的制冷量;COP为制冷系统的能效比;Q2为加热器的加热功率。一般情况下,Q1≈1.1×QM,Q2≈Q1,中温工况下涡旋压缩机的COP值约为3,其中,QM为热负载设备的热负荷(即半导体加工平台的热负荷);则由式(1)可知,温控设备的输入功率QN为:
由此可知,目前采用“制冷系统—加热器”方式的半导体温控设备,需要的输入功率约为热负载设备负荷的147%,才能实现温控需求。较低的能效比和过大的输入功率会消耗更多的电能,同时过大的电流也需要设计更大规格的电气设备,同时也增加了成本和维护费用。
现半导体温控设备输入功率过大,产生更高的能源消耗和材料成本增加,同时温控设备系统电流过大,也增加了安全隐患和维护难度,设备散热效果降低等问题。
发明内容
相较于目前温控设备功率过大的问题,本发明提出一种桥式双向控温系统,该系统除了能够取代原有制冷系统来实现对循环液的降温需求,同时可以部分替代加热器的加热功能。该桥式双向控温系统通过切换“制冷模式—热泵模式”两种控温方式,分别实现对循环液的降温/升温。
本发明提出的一种桥式双向控温系统,包括:由压缩机(1)、冷凝器(3)、储液器(4)、干燥过滤器(5)、视液镜(6)、第一电子膨胀阀(7)、蒸发器(12)和气液分离器(13)依次连接形成的控温环路,与压缩机(1)连接的压力控制装置(2),在视液镜(6)与气液分离器入口之间并联设有由第一电磁阀(8)和第二电子膨胀阀(9)串联构成的冷旁通路,在压缩机出口与气液分离器入口之间并联设有由第二电磁阀(10)和毛细管(11)串联构成的热旁通路,以及在压缩机出口(1b)与蒸发器的第一端口之间并联设有由第三电磁阀(21)构成的热气旁通路;
其特征在于,该桥式双向控温系统还包括由四个单向阀(22、23、24、25)构成的桥式单向阀组以及由四个电磁阀(26、27、28、29)构成的桥式电磁阀组;其中,
所述桥式单向阀组内的第一单向阀(22)入口、第三单向阀(24)出口均与冷凝器第一端口并联连接,第一单向阀(22)出口分别与储液器(4)入口、第二单向阀(23)出口并联连接,第二单向阀(23)入口分别与第四单向阀(25)出口、蒸发器的第一端口并联连接,第三单向阀(24)、第四单向阀(25)入口均与第一电子膨胀阀(7)出口并联连接;
所述桥式电磁阀组内的第四电磁阀(26)、第六电磁阀(28)的一端均与冷凝器的第二端口并联连接,第四电磁阀(26)、第六电磁阀(28)的另一端分别与气液分离器入口、压缩机出口并联连接,第五电磁阀(27)、第七电磁阀(29)的一端均与蒸发器的第二端口并联连接,第五电磁阀(27)、第七电磁阀(29)的另一端分别与气液分离器入口、压缩机出口并联连接。
所述第四电磁阀(26)、第六电磁阀(28)的开关状态与第五电磁阀(27)、第七电磁阀(29)的开关状态相反。
本发明的特点及有益效果:
1、本发明提出的桥式双向控温系统,可以通过一个氟利昂循环系统实现对循环液的升温/降温控制,从而在功能上取代制冷系统。利用氟利昂系统为循环液升温,可以大大节约运行时的能耗,起到节能作用。
2、本发明在运行过程中需要根据循环液的实时温度变化频繁切换制冷系统的运行模式,而目前常规的四通换向阀的寿命不能满足设备需求,本发明采用4个电磁阀组成的桥式电磁阀组有效解决该问题。本系统在不同的运行模式下,单向阀组能够根据阀前后的压力差调整冷凝器第二端口、储液器入口、第一电磁阀出口、蒸发器第一端口之间的流通情况。
附图说明
图1是现有基于“制冷系统—加热系统”温控设备的结构组成及工作原理示意图。
图2是本发明提出的桥式双向控温系统的结构组成示意图,图中虚线管路表示无介质流通管路,实线管路表示有介质流通管路;所示流向为制冷模式时的流向。
图3是本发明提出的桥式双向控温系统的结构在热泵模式运行下的流向示意图,虚线管路表示无介质流通管路,实线管路表示有介质流通管路。
图4是由本发明桥式双向控温系统构成的温控设备的结构组成及制冷模式工作示意图。
具体实施方式
本发明提出一种桥式双向控温系统,以下结合附图及实施例详细说明如下:
本发明提出的一种桥式双向控温系统的结构如图2所示,是在图1中制冷系统的基础上进行的改进,增加了由四个单向阀(22、23、24、25)构成的桥式单向阀组以及由4个电磁阀(26、27、28、29)构成的桥式电磁阀组。本发明的桥式双向控温系统包括:压缩机1、压力控制装置2、冷凝器3、储液器4、干燥过滤器5、视液镜6、2个电子膨胀阀(7、9)、3个电磁阀(8、10、21)、毛细管11、蒸发器12以及气液分离器13、由4个单向阀(22、23、24、25)构成的桥式单向阀组以及由4个电磁阀(26、27、28、29)构成的桥式电磁阀组;通过冷凝器3的第三端口、第四端口分别与外部的冷却水管路(a、b)连接其中,压力控制装置2与压缩机1相连用于控制和显示压缩机1内的压力值,压缩机1、冷凝器3、储液器4、干燥过滤器5、视液镜6、第一电子膨胀阀7、蒸发器12和气液分离器13依次连接形成制冷环路,在视液镜6与气液分离器13入口之间设有由第一电磁阀8和第二电子膨胀阀9构成的冷旁通路,在压缩机1出口与气液分离器13入口之间设有由第二电磁阀10和毛细管11构成的热旁通路,在压缩机1出口与蒸发器12的第一端口之间设有由第三电磁阀21构成的热气旁通路;其中,单向阀组内的第一单向阀22的入口、第三单向阀24的出口均与冷凝器3第一端口并联连接,第一单向阀22的出口分别与储液罐4入口、第二单向阀23出口并联连接,第二单向阀23入口分别与第四单向阀25出口端、蒸发器12的第一端口并联连接,第三单向阀24、第四单向阀25的入口均与第一电子膨胀阀7的出口并联连接;电磁阀组内的第四电磁阀26、第六电磁阀28的一端均与冷凝器3的第二端口并联连接,第四电磁阀26、第六电磁阀28的另一端分别与气液分离器13的入口、压缩机1的出口并联连接,第五电磁阀27、第七电磁阀29的一端均与蒸发器12的第二端口并联连接,第五电磁阀27、第七电磁阀29的另一端分别与气液分离器13的入口、压缩机1的出口并联连接。
通过同时开启第五电磁阀27和第六电池阀28、关闭第四电磁阀26和第七电磁阀29,或者同时关闭第五电磁阀27和第六电池阀28、开启第四电磁阀26和第七电磁阀29,以及单向阀组根据阀前后的压力差调整冷凝器3第二端口、储液器入口、第一电磁阀7出口、蒸发器第一端口之间的流通情况,以此切换本桥式双向控温系统的工作模式。具体地,当循环液温度高于设定值时,第五电磁阀27、第六电池阀28打开,第四电磁阀26、第七电磁阀29闭合,同时由于单向阀前后压差,第一单向阀22和第四单向阀25开启,第二单向阀23和第三单向阀24关闭,制冷剂由冷凝器3第二端口通过第一单向阀22进入储液器入口,第一电磁阀7出口通过第四电磁阀25进入蒸发器第一端口,该桥式双向控温系统以制冷模式运行,循环液流经蒸发器12时释放热量,降温至设定值;当循环液温度低于设定值时,第五电磁阀27、第六电池阀28闭合,第四电磁阀26、第七电磁阀29打开,同时第二单向阀23和第三电磁阀24开启,第一单向阀22和第四单向阀25关闭,制冷剂由蒸发器第一端口通过第二单向阀23进入储液器入口,第一电磁阀7出口通过第三单向阀24进入冷凝器3第二端口,该桥式双向控温系统以热泵模式运行,循环液通过蒸发器12时吸收热量,升温至设定值。本控温系统工作模式的切换同样通过PLC实现(可采用常规的编程技术予以实现)。
本发明所采用的电磁阀组及单向阀组均为常规的产品。
将本发明提出的桥式双向控温系统应用于温控设备中,即将本发明提出的桥式双向控温系统替换如图1所示现有温控设备中的制冷系统,构成新的温控设备,采用这种桥式双向控温系统的温控设备可以仅通过快速切换电磁阀组的通断状态,来实现桥式双向控温系统“制冷/热泵”模式的快速切换,从而快速的对循环液进行降温/升温;此外,还可利用桥式双向控温系统的热泵模式来部分取代加热器系统的作用,以此达到节能效果。
由本发明构成的温控设备的结构及工作原理如图4(图4仅示意出了制冷模式的工作原理)所示:
当热负载设备16中的温度高于设定温度时,该温控设备处于制冷模式,第五电磁阀27、第六电池阀28打开,第四电磁阀26、第七电磁阀29闭合,大部分循环液依次通过冷凝器3、第一单向阀22、储液器4、干燥过滤器5、视液镜6、第一电子膨胀阀7、第四单向阀25、蒸发器12、第五电磁阀27、气液分离器13、压缩机1、第六电池阀28构成的制冷环路中,经蒸发器12降温后的循环液通过关闭的加热器15(即制冷模式时,加热器不工作,仅起到流通作用)后输入到热负载设备16中对其实现降温,该循环液回到蒸发器12中,再次流经制冷环路,不断重复该过程直至热负载设备16中的温度达到设定要求。
当热负载设备16中的温度低于设定温度,且对于在40℃以下的目标温度值控温需求条件下,仅通过桥式双向控温系统就可以完成对循环液的升温控制,无需启动加热器参与控温;此时,第四电磁阀26、第七电磁阀29打开,第五电磁阀27、第六电池阀28闭合,大部分循环液依次通过蒸发器12、第二单向阀23、储液器4、干燥过滤器5、视液镜6、第一电子膨胀阀7、第三单向阀24、冷凝器3、第四电磁阀26、气液分离器13、压缩机1、第七电磁阀29构成的热泵环路,经蒸发器12升温后的循环液通过关闭的加热器15(对于此种工况下,加热器15仍然不参与工作,仅起到流通作用)后输入到热负载设备16中对其实现升温,该循环液回到蒸发器12中,再次流经热泵环路,不断重复该过程直至热负载设备16中的温度达到设定要求。对于一台热负荷为QM的半导体加工设备,不考虑切换温度时的功率需求的情况下,相匹配的温控设备正常运行时的输入功率为QN,QN可按照式(2)进行计算:
从式(2)结果可以看出,采用桥式双向制冷系统后,温控设备在正常运行时的输入功率相比于图1所示温控设备降低了68%,节能效果显著,降低输入电流的同时也减少了设备成本,增加了电气方面的安全性。
对于目标温度值在40℃以上的控温需求,桥式双向控温系统不能将循环液加热到目标温度值附近,需要利用加热器15进一步将温度加热到目标温度值。热泵模式运行时的压缩机1排气温度一般在40~50℃之间,由于换热温差的存在,一方面会导致40℃以上的循环液在蒸发器12内不能够进行升温;另一方面压缩机1排出的高温高压制冷剂蒸气不能在蒸发器12内放热,会使压缩机排气压力过高,触发压力控制装置2高压报警。所以当控温设备的目标温度值在40℃以上时,桥式双向控温系统只能持续运行在制冷模式,此时整个控温设备的工作原理与现有控温设备的工作原理相同,即依靠由桥式双向控温系统在蒸发器12内冷却循环液,再通过加热器15加热循环液,最终实现循环液的控温过程。

Claims (2)

1.一种桥式双向控温系统,包括:由压缩机(1)、冷凝器(3)、储液器(4)、干燥过滤器(5)、视液镜(6)、第一电子膨胀阀(7)、蒸发器(12)和气液分离器(13)依次连接形成的控温环路,与压缩机(1)连接的压力控制装置(2),在视液镜(6)与气液分离器入口之间并联设有由第一电磁阀(8)和第二电子膨胀阀(9)串联构成的冷旁通路,在压缩机出口与气液分离器入口之间并联设有由第二电磁阀(10)和毛细管(11)串联构成的热旁通路,以及在压缩机出口(1b)与蒸发器的第一端口之间并联设有由第三电磁阀(21)构成的热气旁通路;
其特征在于,该桥式双向控温系统还包括由四个单向阀(22、23、24、25)构成的桥式单向阀组以及由四个电磁阀(26、27、28、29)构成的桥式电磁阀组;其中,
所述桥式单向阀组内的第一单向阀(22)入口、第三单向阀(24)出口均与冷凝器第一端口并联连接,第一单向阀(22)出口分别与储液器(4)入口、第二单向阀(23)出口并联连接,第二单向阀(23)入口分别与第四单向阀(25)出口、蒸发器的第一端口并联连接,第三单向阀(24)、第四单向阀(25)入口均与第一电子膨胀阀(7)出口并联连接;
所述桥式电磁阀组内的第四电磁阀(26)、第六电磁阀(28)的一端均与冷凝器的第二端口并联连接,第四电磁阀(26)、第六电磁阀(28)的另一端分别与气液分离器入口、压缩机出口并联连接,第五电磁阀(27)、第七电磁阀(29)的一端均与蒸发器的第二端口并联连接,第五电磁阀(27)、第七电磁阀(29)的另一端分别与气液分离器入口、压缩机出口并联连接。
2.根据权利要求1所述的桥式双向控温系统,其特征在于,所述第四电磁阀(26)、第六电磁阀(28)的开关状态与第五电磁阀(27)、第七电磁阀(29)的开关状态相反。
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