CN112817347A - 一种快速升降温系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速升降温系统及其控制方法，包括第二热交换器、第一热交换器、加热组件和三通阀；冷却液入口管道通过第一换热管与冷却液出口管道连通，冷却液入口管道通过第三换热管与冷却液出口管道连通，加热组件通过负载与三通阀的第一端连通，三通阀的第二端通过第四换热管与加热组件连通，三通阀的第三端通过第二换热管和第四换热管与加热组件连通。本发明提供的快速升降温系统，通过两个热交换器的共同换热作用，合理控制三通阀。在需要升温时，三通阀控制循环液通过第四换热管流向冷却液出口管道，实现快速升温的目的。在需要降温时，三通阀控制循环液分两路分别流向第二换热管和第四换热管，与循环冷却水换热，实现快速降温的效果。

Description

一种快速升降温系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及温度控制领域，尤其涉及一种快速升降温系统及其控制方法。

背景技术

半导体温控装置作为生产半导体的辅助设备，在晶圆和液晶面板的制程工艺中需要输出不同的温度，同时在维持温度的过程中需要控制一定的制冷量以抵消工艺过程中的热负荷(例如，半导体加工反应腔、液晶面板加工反应腔)，提供高精度、稳定的循环液入口温度。设备在实际工艺中需要保持恒定的输出温度。

而现有的温控装置在保证系统运行在稳定可靠的状态下，晶圆生产制程工艺对快速升温及快速降温要求越来越高，主要用以满足缩短制程工艺时间，实现增加产量的目的。

发明内容

本发明实施例提供一种快速升降温系统及其控制方法，用以解决上述问题，在保证温度稳定的情况下，快速实现循环液的升降温，满足晶圆或面板生产工艺的需求。

本发明实施例提供的快速升降温系统，包括：

第一热交换器、第二热交换器、加热组件和三通阀；

所述第一热交换器中设有可相互交换热量的第一换热管和第二换热管，所述第二热交换器中设有可相互交换热量的第三换热管和第四换热管；

冷却液入口管道通过所述第一换热管与冷却液出口管道连通，所述冷却液入口管道通过所述第三换热管与冷却液出口管道连通，所述加热组件的出口通过负载与所述三通阀的第一端连通，所述三通阀的第二端通过所述第四换热管与所述加热组件的入口连通，所述三通阀的第三端通过所述第二换热管和所述第四换热管与所述加热组件的入口连通。

根据本发明提供的快速升降温系统，所述加热组件包括：循环液箱和加热器；

所述加热器安装在所述循环液箱的底部，所述循环液箱的入口与所述第四换热管连通，所述循环液箱的出口通过负载与所述三通阀的第一端连通。

根据本发明提供的快速升降温系统，所述循环液箱的出口与所述三通阀的第一端之间安装有循环泵。

根据本发明提供的快速升降温系统，所述循环泵与所述三通阀之间安装有流量传感器。

根据本发明提供的快速升降温系统，所述快速升降温系统还包括：第一温度传感器；所述第一温度传感器安装在所述循环液箱的出口与所述负载之间。

根据本发明提供的快速升降温系统，所述快速升降温系统还包括：第二温度传感器；所述循环液箱的出口依次通过所述第一温度传感器、所述负载和所述第二温度传感器与所述三通阀的第一端连通。

根据本发明提供的快速升降温系统，所述快速升降温系统还包括：第三温度传感器；所述第三温度传感器安装在所述第四换热管与所述循环液箱的入口之间。

根据本发明提供的快速升降温系统，所述快速升降温系统还包括：第四温度传感器和第五温度传感器；

所述第四温度传感器安装在所述冷却液入口管道上，所述第五温度传感器安装在所述冷却液出口管道上。

根据本发明提供的快速升降温系统，所述快速升降温系统还包括：PLC控制器；

所述PLC控制器与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器、第四温度传感器、所述第五温度传感器、所述循环泵、所述加热器和所述三通阀电性连接。

本发明实施例还提供一种快速升降温系统的控制方法，包括：

设定第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的目标温度，同时测量第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的实际温度；

根据第一温度传感器的目标温度与其实际温度的差值，控制加热器；

根据第二温度传感器和第三温度传感器的目标温度与其实际温度的差值，控制三通阀，以在需要升温时，三通阀的第一端与第二端连通，控制循环液通过第四换热管流入加热器；而在需要降温时，三通阀的第一端与第二端及第三端同时连通，控制循环液通过第二换热管和第四换热管流入加热器。

本发明提供的快速升降温系统及其控制方法，通过两个热交换器的共同换热作用，合理控制三通阀。实现精确控制温控设备的循环液出口温度以满足不同温度的工况，同时保证系统运行在稳定可靠的状态下，满足晶圆或面板生产工艺的需求。在需要升温时，三通阀控制循环液通过第四换热管流向冷却液出口管道，在保证温度稳定的情况下实现了快速升温的目的。在需要降温时，三通阀控制循环液分两路液体分别流向第二换热管和第四换热管，与循环冷却水换热，在保证温度稳定的情况下实现了快速降温的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的快速升降温系统的结构示意图；

图2是快速升降温系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1描述本发明提供的快速升降温系统，该快速升降温系统包括：第一热交换器HE1、第二热交换器HE2、加热组件和三通阀EOV1。

为便于控制，三通阀EOV1可选用为电动三通阀，可根据情况控制阀门的开度及连通的位置。

其中，第一热交换器HE1中设有可相互交换热量的第一换热管1和第一换热管2，第二热交换器HE2中设有可相互交换热量的第三换热管3和第四换热管4。冷却液入口管道通过第一换热管1与冷却液出口管道连通，冷却液入口管道通过第三换热管3与冷却液出口管道连通，加热组件的出口通过负载与三通阀EOV1的第一端连通，三通阀EOV1的第二端通过第四换热管4与加热组件的入口连通，三通阀EOV1的第三端通过第一换热管2和第四换热管4与加热组件的入口连通。

根据功能划分，该快速升降温系统主要可分为循环冷却水子系统(图1左侧)和循环液子系统(图1右侧)，循环冷却水子系统和循环液子系统通过两个热交换器的作用交换热量，实现温度的控制。循环冷却水子系统在工作过程中，冷却液入口管道中的冷却液通过第一热交换器HE1中的第一换热管1以及第二热交换器HE2的第三换热管3流入冷却液出口管道。

循环液子系统在需要升温时，例如30℃升至100℃时，加热组件加热循环水，循环水通过负载进入三通阀EOV1的第一端，三通阀EOV1通过控制使循环液通过三通阀EOV1的第二端，流入第二热交换器HE2中的第四换热管4中，与第三换热管3中的冷却水进行热量交换，从而在保证温度稳定的情况下实现了快速升温的目的。

循环液子系统在需要降温时，例如100℃降至30℃时，三通阀EOV1控制连通其第一端与第二端，同时连通其第一端与第三端，使循环液流入第一换热管2和第四换热管4，从而循环水可在第一换热管2与第一换热管1中的冷却水换热，同时循环水可在第四换热管4与第三换热管3中的冷却水换热，由于三通阀的开度可调，使得在保证温度稳定的情况下，能够实现快速降温的效果。

本发明提供的快速升降温系统，通过两个热交换器的共同换热作用，合理控制三通阀。实现精确控制温控设备的循环液出口温度以满足不同温度的工况，同时保证系统运行在稳定可靠的状态下，满足晶圆或面板生产工艺的需求。在需要升温时，三通阀控制循环液通过第四换热管4流向冷却液出口管道，在保证温度稳定的情况下实现了快速升温的目的。在需要降温时，三通阀控制循环液分两路液体分别流向第一换热管2和第四换热管4，与循环冷却水换热，在保证温度稳定的情况下实现了快速降温的效果。

如图1所示，加热组件包括：循环液箱TANK1和加热器HT1。加热器HT1安装在循环液箱TANK1的底部，用于加热循环液箱TANK1中的循环液。循环液箱TANK1的入口与第四换热管4连通，循环液箱的出口通过负载与三通阀EOV1的第一端连通。

循环液箱TANK1的出口与三通阀EOV1的第一端之间安装有用于驱动循环液流动的循环泵PUMP1。循环泵PUMP1与三通阀之间安装有流量传感器FS1，流量传感器FS1用于测量流经负载的循环液流量。

在循环液进入负载前需要先确定循环液的温度，快速升降温系统还包括：第一温度传感器TS1。第一温度传感器TS1安装在循环液箱TANK1的出口与负载之间，用于测量循环液进入负载前的温度。

在循环液进入负载后需要再次确定循环液的温度，快速升降温系统还包括：第二温度传感器TS2。第二温度传感器TS2安装在三通阀EOV1的第一端与负载之间。循环液箱TANK1的出口依次通过第一温度传感器TS1、负载和第二温度传感器TS2与三通阀EOV1的第一端连通。

快速升降温系统还包括：第三温度传感器TS3。第三温度传感器TS3安装在第四换热管4与循环液箱TANK1的入口之间，用于测量进入循环液箱TANK1之前循环液的温度，以配合第二温度传感器TS2准确控制三通阀EOV1。

此外，快速升降温系统还包括：第四温度传感器TS4和第五温度传感器TS5。第四温度传感器TS4安装在冷却液入口管道上，用于测量冷却水热量交换前的温度。第五温度传感器TS5安装在冷却液出口管道上，用于测量冷却水热量交换后的温度。

本实施例中，快速升降温系统还包括：PLC控制器(图未示)。PLC控制器与第一温度传感器TS1、第二温度传感器TS2、第三温度传感器TS3、第四温度传感器TS4、第五温度传感器TS5、循环泵PUMP1、加热器HT1和三通阀EOV1电性连接，PLC控制器用于根据测量的数据控制三通阀EOV1以及其它各结构，根据目标温度的变化，固态继电器输出控制加热器的加热量大小，通过输出加热量大小来控制温，以使温度维持在一定温度范围。

精确控温的过程中，先设定目标温度。设第一温度传感器TS1、第二温度传感器TS2、第三温度传感器TS3的目标温度，同时测量第一温度传感器TS1、第二温度传感器TS2、第三温度传感器TS3的实际温度。根据第一温度传感器TS1的目标温度与第一温度传感器TS1的实际温度的差值，利用PLC控制器的PID模块运算控制加热器HT1。根据第二温度传感器TS2和第三温度传感器TS3的目标温度与其实际温度的差值，利用PLC控制器的PID模块运算控制三通阀EOV1。以在需要升温时，三通阀EOV1的第一端与第二端连通，控制循环液通过第四换热管4流入加热器HT1。而在需要降温时，三通阀EOV1的第一端与第二端及第三端同时连通，控制循环液通过第一换热管2和第四换热管4流入加热器HT1。

为进一步控制系统温度，还需利用第四温度传感器TS4和第五温度传感器TS5测量冷却水入口和出口处的温度。同时配合流量传感器FS1测量循环液流量，通过测量到的流量与设定流量的差值，利用PLC控制器的PID模块运算控制循环泵PUMP1。整个控温的过程中，还可通过第二温度传感器TS2和第三温度传感器TS3控制三通阀EOV1的开度量，以及第一温度传感器TS1控制循环液箱TANK1内加热器HT1的加热量，以及循环泵PUMP1流量的控制达到一个自我平衡的系统，最终控制第一温度传感器TS1的输出温度满足控制要求，温度维持在一定温度范围，控制带载精度可达±0.2℃。

为避免压力对系统控温产生影响，该快速升降温系统还可增设压力传感器P1。通过PLC控制器采集压力传感器P1，PLC运算后显示在HMI触摸屏上。通过综合合理控制三通阀EOV1的开度、加热器HT1的加热量、循环水流量、压力来平衡最终满足目标温度的恒定输出。

本发明还提供一种快速升降温系统的控制方法，该快速升降温系统如图1所示，包括：第一热交换器HE1、第二热交换器HE2、加热组件和三通阀EOV1。第一热交换器中设有第一换热管1和第一换热管2，第二热交换器中设有第三换热管3和第四换热管4。冷却液入口管道通过第一换热管1与冷却液出口管道连通，冷却液入口管道通过第三换热管3与冷却液出口管道连通，加热组件的出口通过负载与三通阀EOV1的第一端连通，三通阀EOV1的第二端通过第四换热管4与加热组件的入口连通，三通阀EOV1的第三端通过第一换热管2和第四换热管4与加热组件的入口连通。

如图2所示，该控制方法包括如下步骤：

步骤S1：设定第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的目标温度，同时测量第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的实际温度。

步骤S2：根据第一温度传感器的目标温度与其实际温度的差值，控制加热器。

步骤S3：根据第二温度传感器和第三温度传感器的目标温度与其实际温度的差值，控制三通阀，以在需要升温时，三通阀的第一端与第二端连通，控制循环液通过第四换热管4流入加热器；而在需要降温时，三通阀的第一端与第二端及第三端同时连通，控制循环液通过第一换热管2和第四换热管4流入加热器。

精确控温的过程中，先设定目标温度。设第一温度传感器TS1、第二温度传感器TS2、第三温度传感器TS3的目标温度，同时测量第一温度传感器TS1、第二温度传感器TS2、第三温度传感器TS3的实际温度。根据第一温度传感器TS1的目标温度与第一温度传感器TS1的实际温度的差值，利用PLC控制器的PID模块运算控制加热器HT1。即通过第一温度传感器TS1采集温度，通过PLC控制器的PID模块运算运算得到输出对应的值，进一步运算后控制加热器HT1加热量。根据第二温度传感器TS2和第三温度传感器TS3的目标温度与其实际温度的差值，利用PLC控制器的PID模块运算控制三通阀EOV1。即通过第二温度传感器TS2和第三温度传感器TS3采集对应温度，通过PLC控制器的PID模块运算运算得到输出对应的值，进一步运算后控制三通阀EOV1输出开度来控制流量。以在需要升温时，三通阀EOV1的第一端与第二端连通，控制循环液通过第四换热管4流入加热器HT1。而在需要降温时，三通阀EOV1的第一端与第二端及第三端同时连通，控制循环液通过第一换热管2和第四换热管4流入加热器HT1。利用第四温度传感器TS4和第五温度传感器TS5测量冷却水入口和出口处的温度。同时配合流量传感器FS1测量循环液流量，通过测量到的流量与设定流量的差值，利用PLC控制器的PID模块运算控制循环泵PUMP1。通过PLC控制器的PID模块运算运算得到输出对应的值，进一步运算后控制循环泵PUMP1(INV1对应35Hz到50Hz)，变频器INV1控制水泵PUMP1输出控制流量，从而确保流量恒定输出。整个控温的过程中，还可通过第二温度传感器TS2和第三温度传感器TS3控制三通阀EOV1的开度量，以及第一温度传感器TS1控制循环液箱TANK1内加热器HT1的加热量，以及循环泵PUMP1流量的控制达到一个自我平衡的系统，最终控制第一温度传感器TS1的输出温度满足控制要求，温度维持在一定温度范围，控制带载精度可达±0.2℃，即通过综合合理控制三通阀EOV1的开度、加热器HT1的加热量、循环水流量、压力来平衡最终满足目标温度的恒定输出。

本发明提供的快速升降温系统的控制方法，通过两个热交换器的共同换热作用，合理控制三通阀。实现精确控制温控设备的循环液出口温度以满足不同温度的工况，同时保证系统运行在稳定可靠的状态下，满足晶圆或面板生产工艺的需求。在需要升温时，三通阀控制循环液通过第四换热管4流向冷却液出口管道，在保证温度稳定的情况下实现了快速升温的目的。在需要降温时，三通阀控制循环液分两路液体分别流向第一换热管2和第四换热管4，与循环冷却水换热，在保证温度稳定的情况下实现了快速降温的效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种快速升降温系统，其特征在于，包括：

第一热交换器、第二热交换器、加热组件和三通阀；

所述第一热交换器中设有可相互交换热量的第一换热管和第二换热管，所述第二热交换器中设有可相互交换热量的第三换热管和第四换热管；

冷却液入口管道通过所述第一换热管与冷却液出口管道连通，所述冷却液入口管道通过所述第三换热管与冷却液出口管道连通，所述加热组件的出口通过负载与所述三通阀的第一端连通，所述三通阀的第二端通过所述第四换热管与所述加热组件的入口连通，所述三通阀的第三端通过所述第二换热管和所述第四换热管与所述加热组件的入口连通。

2.根据权利要求1所述的快速升降温系统，其特征在于，所述加热组件包括：循环液箱和加热器；

所述加热器安装在所述循环液箱的底部，所述循环液箱的入口与所述第四换热管连通，所述循环液箱的出口通过负载与所述三通阀的第一端连通。

3.根据权利要求2所述的快速升降温系统，其特征在于，所述循环液箱的出口与所述三通阀的第一端之间安装有循环泵。

4.根据权利要求3所述的快速升降温系统，其特征在于，所述循环泵与所述三通阀之间安装有流量传感器。

5.根据权利要求4所述的快速升降温系统，其特征在于，所述快速升降温系统还包括：第一温度传感器；所述第一温度传感器安装在所述循环液箱的出口与所述负载之间。

6.根据权利要求5所述的快速升降温系统，其特征在于，所述快速升降温系统还包括：第二温度传感器；所述循环液箱的出口依次通过所述第一温度传感器、所述负载和所述第二温度传感器与所述三通阀的第一端连通。

7.根据权利要求6所述的快速升降温系统，其特征在于，所述快速升降温系统还包括：第三温度传感器；所述第三温度传感器安装在所述第四换热管与所述循环液箱的入口之间。

8.根据权利要求7所述的快速升降温系统，其特征在于，所述快速升降温系统还包括：第四温度传感器和第五温度传感器；

所述第四温度传感器安装在所述冷却液入口管道上，所述第五温度传感器安装在所述冷却液出口管道上。

9.根据权利要求8所述的快速升降温系统，其特征在于，所述快速升降温系统还包括：PLC控制器；

所述PLC控制器与所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器、所述第四温度传感器、所述第五温度传感器、所述循环泵、所述加热器和所述三通阀电性连接。

10.一种快速升降温系统的控制方法，其特征在于，包括：

设定第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的目标温度，同时测量第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器的实际温度；

根据第一温度传感器的目标温度与其实际温度的差值，控制加热器；

根据第二温度传感器和第三温度传感器的目标温度与其实际温度的差值，控制三通阀，以在需要升温时，三通阀的第一端与第二端连通，控制循环液通过第四换热管流入加热器；而在需要降温时，三通阀的第一端与第二端及第三端同时连通，控制循环液通过第二换热管和第四换热管流入加热器。

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