CN113654260B - 复叠制冷系统双循环温控设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种复叠制冷系统双循环温控设备及方法，复叠制冷系统双循环温控设备包括第一压缩机、第一冷凝器的放热通路和第一蒸发器的吸热通路依次连通形成第一制冷回路，第一压缩机、第一冷凝器的放热通路和第二蒸发器的吸热通路依次连通形成第二制冷回路，第一循环装置与第一蒸发器的放热通路连通形成第一循环回路；第二压缩机、第二冷凝器的放热通路、第一换热器的放热通路和第三蒸发器的吸热通路依次连通形成第三制冷回路，第二循环装置、第二蒸发器的放热通路和第三蒸发器的放热通路依次连通形成第二循环回路。满足多种不同温度的主工艺设备或探针检测使用。

Description

复叠制冷系统双循环温控设备及方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种复叠制冷系统双循环温控设备及方法。

背景技术

在集成电路制造行业，芯片加工工艺完成之后，需要进行测试封装的工艺，检测出合格的芯片，并检验工艺质量水平。测试是对晶圆上的每个晶粒进行针测，在检测头装上以金线制成的探针，与晶粒上的接点接触，测试其电气特性是否满足要求。晶圆仍然固定在静电吸附托盘(ESC)上，为满足测试工艺的要求，晶圆需要在特定的温度下进行测试，提高测试的准确性，因此需要对ESC进行控温。部分测试是在常温下进行，部分则需要-60℃甚至更低的低温条件，目前主要采用传统两级复叠的方式。现有技术的两级复叠制冷系统，只能控制一个探针检测设备，而且不能实现-100℃的低温。虽然-60℃可以满足目前使用需求，适用于负载量小于1kW，且精度要求不高的工况，但难以满足先进测试技术需要更低温度，更大的负载量及更高的精度的需求。

发明内容

本发明提供一种复叠制冷系统双循环温控设备及方法，用以解决现有技术中制冷系统制冷温度有限，无法应用于多个探测设备，难以满足测试需求的缺陷，实现-60℃以下的低温，提升了负载能力和控制精度，同时实现一机多用，同时满足多种不同温度的探针检测使用。

本发明提供一种复叠制冷系统双循环温控设备，包括第一制冷系统和第二制冷系统，所述第一制冷系统包括第一制冷装置和第一循环装置，所述第一制冷装置包括第一压缩机、第一冷凝器、第一蒸发器和第二蒸发器，所述第一压缩机、所述第一冷凝器的放热通路和所述第一蒸发器的吸热通路依次连通形成第一制冷回路，所述第一压缩机、所述第一冷凝器的放热通路和所述第二蒸发器的吸热通路依次连通形成第二制冷回路，所述第一循环装置与所述第一蒸发器的放热通路连通形成第一循环回路；所述第二制冷系统包括第二制冷装置和第二循环装置，所述第二制冷装置包括第二压缩机、第二冷凝器、第一换热器和第三蒸发器，所述第二压缩机、所述第二冷凝器的放热通路、所述第一换热器的放热通路和所述第三蒸发器的吸热通路依次连通形成第三制冷回路，所述第二循环装置、所述第二蒸发器的放热通路和所述第三蒸发器的放热通路依次连通形成第二循环回路；所述第一压缩机、所述第一冷凝器的放热通路和所述第一换热器的吸热通路依次连通形成第四制冷回路。

根据本发明提供的一种复叠制冷系统双循环温控设备，所述第一冷凝器的放热通路的出口与所述第一蒸发器的吸热通路的入口连通的管路上设有第一阀体，所述第一冷凝器的放热通路的出口与所述第二蒸发器的吸热通路的入口连通的管路上设有第二阀体；所述第一换热器的放热通路的出口与所述第三蒸发器的吸热通路的入口连通的管路上设有第三阀体；所述第一蒸发器与所述第一循环装置连通的管路上设有第一泵体；所述第二蒸发器与所述第二循环装置连通的管路上设有第二泵体。

根据本发明提供的一种复叠制冷系统双循环温控设备，还包括第三制冷系统，所述第三制冷系统包括第三制冷装置和第三循环装置，所述第三制冷装置包括第三压缩机、第三冷凝器、第二换热器和第四蒸发器，所述第三压缩机、所述第三冷凝器的放热通路、所述第二换热器的放热通路和所述第四蒸发器的吸热通路依次连通形成第五制冷回路；所述第二制冷装置还包括第五蒸发器，所述第二压缩机、所述第二冷凝器的放热通路、所述第一换热器的放热通路、所述第五蒸发器的吸热通路依次连通形成第六制冷回路；所述第三循环装置、所述第五蒸发器的放热通路和所述第四蒸发器的放热通路依次连通形成第三循环回路；所述第二压缩机、所述第二冷凝器的放热通路、所述第一换热器的放热通路和所述第二换热器的吸热通路依次连通形成第七制冷回路。

根据本发明提供的一种复叠制冷系统双循环温控设备，所述第一换热器的放热通路的出口与所述第五蒸发器的吸热通路的入口连通的管路上设有第四阀体；所述第二换热器的放热通路的出口与所述第四蒸发器的吸热通路的入口连通的管路上设有第五阀体；所述第五蒸发器与所述第三循环装置连通的管路上第三泵体。

根据本发明提供的一种复叠制冷系统双循环温控设备，所述第二制冷系统为多个，多个所述第二制冷系统在所述第一制冷系统与所述第二制冷系统之间并联设置，相邻两个所述第二制冷系统中，靠近所述第一制冷系统的所述第二压缩机、所述第二冷凝器的放热通路、所述第一换热器的放热通路与靠近所述第三制冷系统的所述第一换热器的吸热通路依次连通形成第八制冷回路，靠近所述第三制冷系统的第二循环装置、所述第三蒸发器的放热通路与靠近所述第一制冷系统的第五蒸发器的放热通路依次连通形成第四循环回路。

根据本发明提供的一种复叠制冷系统双循环温控设备，所述第一制冷装置还包括第一油分离器，所述第一油分离器设置于所述第一压缩机的出口与所述第一冷凝器的放热通路的进口连通的管路上；所述第二制冷装置还包括第二油分离器，所述第二油分离器设置于所述第二冷凝器的放热通路的出口与所述第一换热器的放热通路的进口连通的管路上；所述第三制冷装置还包括第三油分离器，所述第三油分离器设置于所述第三冷凝器的放热通路的出口与所述第二换热器的放热通路的进口连通的管路上。

根据本发明提供的一种复叠制冷系统双循环温控设备，所述第二制冷装置还包括第一膨胀泄压组件，所述第一膨胀泄压组件与所述第二压缩机连通；所述第三制冷装置还包括第二膨胀泄压组件，所述第二膨胀泄压组件与所述第三压缩机连通。

根据本发明提供的一种复叠制冷系统双循环温控设备，所述第一循环装置包括第一水箱和第四泵体，所述第一水箱的第一出水口、所述第四泵体、第一负载、所述第一水箱的第一进水口、所述第一水箱的第二出水口、所述第一蒸发器的放热通路与所述第一水箱的第二进水口依次连通形成第一循环回路，所述第一水箱内设有第一加热器；所述第二循环装置包括第二水箱和第五泵体，所述第二水箱的第一出水口、所述第五泵体、第二负载、所述第二水箱的第一进水口、所述第一水箱的第二出水口、所述第二蒸发器的放热通路、所述第三蒸发器的放热通路与所述第二水箱的第二进水口依次连通形成所述第二循环回路，所述第二水箱内设有第二加热器；所述第三循环装置包括第三水箱和第六泵体，所述第三水箱的第一出水口、所述第六泵体、第三负载、所述第三水箱的第一进水口、所述第三水箱的第二出水口、所述第五蒸发器的放热通路、所述第四蒸发器的放热通路与所述第三水箱的第二进水口依次连通形成所述第三循环回路，所述第三水箱内设有第三加热器。

本发明还提供一种应用上述的复叠制冷系统双循环温控设备进行的复叠制冷方法，包括：

选择高温负载通道，温控范围为-20～80℃：

开启第一压缩机和第一泵体，输入第一设定温度；

调节第一压缩机的频率及第一阀体的开度，直至第一水箱的第二进水口的温度达到第一设定温度；

选择中温负载通道，温控范围为-70～-25℃：

开启第三阀体，关闭第二阀体，开启第一压缩机、第二压缩机和第二泵体，输入第二设定温度；

调节第一压缩机和第二压缩机的频率及第三阀体的开度，直至第二水箱的第二进水口的温度达到第二设定温度；

选择中温负载通道，温控范围为-25～40℃：

开启第二阀体，关闭第三阀体，开启第一压缩机和第二泵体，输入第三设定温度；

调节第一压缩机的频率及第二阀体的开度，直至第二水箱的第二进水口的温度达到第三设定温度。

根据本发明提供的一种复叠制冷方法，还包括：

选择低温负载通道，温控范围为-100～-80℃：

开启第五阀体，关闭第四阀体，开启第一压缩机、第二压缩机、第三压缩机和第三泵体，输入第四设定温度；

调节第一压缩机、第二压缩机和第三压缩机的频率及第五阀体的开度，直至第三水箱的第二进水口的温度达到第四设定温度；

选择低温负载通道，温控范围为-70～-25℃：

开启第四阀体，关闭第五阀体，开启第一压缩机、第二压缩机和第三泵体，输入第五设定温度；

调节第一压缩机和第二压缩机的频率及第四阀体的开度，直至第三水箱的第二进水口的温度达到第五设定温度。

本发明提供的复叠制冷系统双循环温控设备可以单独开启高温级制冷系统的第一制冷回路，只提供高温通道的冷却液；也可以开启高温级制冷系统的第一制冷回路和第二制冷回路，及中温级制冷系统的第三制冷回路，提供中温通道和高温通道的冷却液，并且可以选择打开第二制冷回路，关闭第三制冷回路，或者关闭第二制冷回路，打开第三制冷回路，提供宽温区中温通道。

本发明的复叠制冷系统双循环温控设备从高温级制冷系统及中温级制冷系统中分别抽出制冷回路，实现为半导体芯片测试的低温温控设备提供多个通道需求。从高温级制冷系统抽出制冷回路与中温级制冷系统的循环回路进行串联，从而实现各通道的宽温区控温，兼容高低温模式制冷系统，不同温度的通道间可以进行切换或混合控温，对半导体芯片测试的低温温控设备的发展有积极的推动作用。本发明复叠制冷系统双循环温控设备设计实现-60℃以下的低温，提升了负载能力和控制精度，同时实现一机多用，同时满足多种不同温度的探针检测使用，弥补现有设备的缺口。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是本发明提供的复叠制冷系统双循环温控设备的结构示意图；

图2是本发明提供的复叠制冷方法的流程示意图；

图3是本发明提供的复叠制冷方法的外循环水泵调节流程示意图；

图4是本发明提供的复叠制冷方法的外循环加热器调节流程示意图；

附图标记：

100：第一制冷系统；110：第一制冷装置；120：第一循环装置；111：第一压缩机；112：第一冷凝器；113：第一蒸发器；114：第二蒸发器；115：第一阀体；116：第二阀体；117：第一泵体；118：第一油分离器；121：第一水箱；122：第四泵体；123：第一负载；124：第一加热器；

200：第二制冷系统；210：第二制冷装置；220：第二循环装置；211：第二压缩机；212：第二冷凝器；213：第一换热器；214：第三蒸发器；215：第三阀体；216：第二泵体；217：第五蒸发器；218：第四阀体；219：第二油分离器；2110：第一膨胀泄压组件；221：第二水箱；222：第五泵体；223：第二负载；224：第二加热器；

300：第三制冷系统；310：第三制冷装置；320：第三循环装置311：第三压缩机；312：第三冷凝器；313：第二换热器；314：第四蒸发器；315：第五阀体；316：第三泵体；317：第三油分离器；318：第二膨胀泄压组件；321：第三水箱；322：第六泵体；323：第三负载；324：第三加热器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1所示，本发明实施例提供的复叠制冷系统双循环温控设备，包括第一制冷系统100和第二制冷系统200，第一制冷系统100包括第一制冷装置110和第一循环装置120，第一制冷装置110包括第一压缩机111、第一冷凝器112、第一蒸发器113和第二蒸发器114，第一压缩机111、第一冷凝器112的放热通路和第一蒸发器113的吸热通路依次连通形成第一制冷回路，第一压缩机111、第一冷凝器112的放热通路和第二蒸发器114的吸热通路依次连通形成第二制冷回路，第一循环装置120与第一蒸发器113的放热通路连通形成第一循环回路；第二制冷系统200包括第二制冷装置210和第二循环装置220，第二制冷装置210包括第二压缩机211、第二冷凝器212、第一换热器213和第三蒸发器214，第二压缩机211、第二冷凝器212的放热通路、第一换热器213的放热通路和第三蒸发器214的吸热通路依次连通形成第三制冷回路，第二循环装置220、第二蒸发器114的放热通路和第三蒸发器214的放热通路依次连通形成第二循环回路；第一压缩机111、第一冷凝器112的放热通路和第一换热器213的吸热通路依次连通形成第四制冷回路。

本发明实施例的复叠制冷系统双循环温控设备，第一制冷系统100与第二制冷系统200配合形成两级复叠制冷系统，第一制冷系统100作为高温级制冷系统，具有第一制冷回路、第二制冷回路和第一循环回路，第二制冷系统200作为中温级制冷系统，具有第三制冷回路和第二循环回路，第一制冷系统100与第二制冷系统200之间并联形成第四制冷回路。

第一制冷系统100中高温制冷剂经第一压缩机111压缩后，进入第一冷凝器112冷凝，然后可分为三路进行相变吸收循环回路中冷却液热量或低一级制冷系统的制冷剂热量，蒸发后回到第一压缩机111继续下一个制冷循环。第一路为第一制冷回路，即经过第一蒸发器113的吸热通路与第一蒸发器113的放热通路中的冷却液进行热交换，从而相变吸收第一循环回路的冷却液热量；第二路为第二制冷剂回路，即经过第二蒸发器114的吸热通路与第二蒸发器114的放热通路中的冷却液进行热交换，从而相变吸收第二循环回路的冷却液热量；第三路为第四制冷剂回路，即经过第一换热器213的吸热通路与第一换热器213的放热通路中的中温制冷剂进行热交换，从而相变吸收第二制冷系统200的制冷剂热量。

第二制冷系统200中中温制冷剂经第二压缩机211压缩后，进入第二冷凝器212初步冷凝，然后进入第一换热器213的放热通路与第一换热器213的吸热通路中的高温制冷剂进行热交换，实现再次冷凝，而后进入第三制冷回路，即经过第三蒸发器214的吸热通路与第三蒸发器214的放热通路中的冷却液进行热交换，从而相变吸收第二循环回路的冷却液热量。

本发明可以单独开启高温级制冷系统的第一制冷回路，只提供高温通道的冷却液；也可以开启高温级制冷系统的第一制冷回路和第二制冷回路，及中温级制冷系统的第三制冷回路，提供中温通道和高温通道的冷却液，并且可以选择打开第二制冷回路，关闭第三制冷回路，或者关闭第二制冷回路，打开第三制冷回路，提供宽温区中温通道。

本发明的复叠制冷系统双循环温控设备从高温级制冷系统及中温级制冷系统中分别抽出制冷回路，实现为半导体芯片测试的低温温控设备提供多个通道需求。从高温级制冷系统抽出制冷回路与中温级制冷系统的循环回路进行串联，从而实现各通道的宽温区控温，兼容高低温模式制冷系统，不同温度的通道间可以进行切换或混合控温，对半导体芯片测试的低温温控设备的发展有积极的推动作用。本发明复叠制冷系统双循环温控设备设计实现-60℃以下的低温，提升了负载能力和控制精度，同时实现一机多用，同时满足多种不同温度的探针检测使用，弥补现有设备的缺口。

并且能够只通过一套制冷系统满足多个通道冷却液的需求，降低设备复杂程度，减少设备尺寸，能够扩大使用范围，提高制冷系统的使用效率，满足更广泛的需求。不同通道的开启与否，以及切换或混合的组合，扩展了此系统的使用灵活性，能够满足单通道或多通道的使用，也能够实现快速变化温度的需求。

根据本发明提供的一个实施例，第一冷凝器112的放热通路的出口与第一蒸发器113的吸热通路的入口连通的管路上设有第一阀体115，第一冷凝器112的放热通路的出口与第二蒸发器114的吸热通路的入口连通的管路上设有第二阀体116；第一换热器213的放热通路的出口与第三蒸发器214的吸热通路的入口连通的管路上设有第三阀体215；第一蒸发器113与第一循环装置120连通的管路上设有第一泵体117；第二蒸发器114与第二循环装置220连通的管路上设有第二泵体216。

本实施例中，第一制冷系统100的高温制冷剂由第一冷凝器112流出后可经过第一支路和第二支路，经过第一支路到达第一蒸发器113，第一支路上设置第一阀体115，经过第二支路到达第二蒸发器114，第二支路上设有第二阀体116。第二制冷系统200的中温制冷剂由第一换热器213流出后可经过第三支路，经过第三支路到达第三蒸发器214，第三支路上设置第三阀体215。本实施例中，第一阀体115、第二阀体116和第三阀体215均为电子膨胀阀，制冷剂经冷凝后进入膨胀阀节流，通过第一阀体115、第二阀体116和第三阀体215的开关控制，可控制第一制冷回路、第二制冷回路和第三制冷回路的开闭，从而控制高温级制冷系统和中温级制冷系统的工作状态，实现高温通道和中温通道的提供及宽温区控制。

本实施例中，第一泵体117与第二泵体216均可采用水泵，在选择高温通道开启时，第一泵体117开启，为第一循环回路中的冷却液提供进入第一蒸发器113的放热通道进行热交换的动力，在选择中温通道开启时，第二泵体216开启，为第二循环回路中的冷却液提供进入第二蒸发器114和第三蒸发器214的放热通道进行热交换的动力。

本实施例中，第一制冷装置110还包括旁通阀V9，V10，V11，V12，V13组成的旁通支路，设置在第四制冷回路的电子膨胀阀EEV7，第二制冷装置210还包括旁通阀V4，V5，V6，V7，V8组成的旁通支路，制冷系统中旁通阀起到系统保护及流量调节作用，并通过冷热旁通设计保证各级制冷循环的可靠稳定运行。

根据本发明提供的一个实施例，本发明实施例的复叠制冷系统双循环温控设备还包括第三制冷系统300，第三制冷系统300包括第三制冷装置310和第三循环装置320，第三制冷装置310包括第三压缩机321、第三冷凝器312、第二换热器313和第四蒸发器314，第三压缩机321、第三冷凝器312的放热通路、第二换热器313的放热通路和第四蒸发器314的吸热通路依次连通形成第五制冷回路；第二制冷装置210还包括第五蒸发器217，第二压缩机211、第二冷凝器212的放热通路、第一换热器213的放热通路、第五蒸发器217的吸热通路依次连通形成第六制冷回路；第三循环装置320、第五蒸发器217的放热通路和第四蒸发器314的放热通路依次连通形成第三循环回路；第二压缩机211、第二冷凝器212的放热通路、第一换热器213的放热通路和第二换热器313的吸热通路依次连通形成第七制冷回路。

本实施例中，第一制冷系统100、第二制冷系统200和第三制冷系统300配合形成三级复叠制冷系统，第一制冷系统100作为高温级制冷系统，具有第一制冷回路、第二制冷回路和第一循环回路，第二制冷系统200作为中温级制冷系统，具有第三制冷回路、第六制冷回路和第二循环回路，第三系统作为低温级制冷系统，具有第五制冷回路和第三循环回路，第一制冷系统100与第二制冷系统200之间并联形成第四制冷回路，第二制冷系统200与第三制冷系统300之间并联形成第七制冷回路。

第一制冷系统100中高温制冷剂经第一压缩机111压缩后，进入第一冷凝器112冷凝，然后可分为三路进行相变吸收循环回路中冷却液热量或低一级制冷系统的制冷剂热量，蒸发后回到第一压缩机111继续下一个制冷循环，第一路为第一制冷回路，即经过第一蒸发器113的吸热通路与第一蒸发器113的放热通路中的冷却液进行热交换，从而相变吸收第一循环回路的冷却液热量；第二路为第二制冷剂回路，即经过第二蒸发器114的吸热通路与第二蒸发器114的放热通路中的冷却液进行热交换，从而相变吸收第二循环回路的冷却液热量；第三路为第四制冷剂回路，即经过第一换热器213的吸热通路与第一换热器213的放热通路中的中温制冷剂进行热交换，从而相变吸收第二制冷系统200的制冷剂热量。

第二制冷系统200中中温制冷剂经第二压缩机211压缩后，进入第二冷凝器212初步冷凝，然后进入第一换热器213的放热通路与第一换热器213的吸热通路中的高温制冷剂进行热交换，实现再次冷凝，然后可分为三路进行相变吸收循环回路中冷却液热量或低一级制冷系统的制冷剂热量，蒸发后回到第二压缩机211继续下一个制冷循环。第一路为第三制冷回路，即经过第三蒸发器214的吸热通路与第三蒸发器214的放热通路中的冷却液进行热交换，从而相变吸收第二循环回路的冷却液热量；第二路为第六制冷剂回路，即经过第五蒸发器217的吸热通路与第五蒸发器217的放热通路中的冷却液进行热交换，从而相变吸收第二循环回路的冷却液热量；第三路为第七制冷剂回路，即经过第二换热器313的吸热通路与第二换热器313的放热通路中的低温制冷剂进行热交换，从而相变吸收第三制冷系统300的制冷剂热量。

第三制冷系统300中低温制冷剂经第三压缩机321压缩后，进入第三冷凝器312初步冷凝，然后进入第二换热器313的放热通路与第二换热器313的吸热通路中的中温制冷剂进行热交换，实现再次冷凝，而后进入第五制冷回路，即经过第四蒸发器314的吸热通路与第四蒸发器314的放热通路中的冷却液进行热交换，从而相变吸收第三循环回路的冷却液热量。

本发明可以单独开启高温级制冷系统的第一制冷回路，只提供高温通道的冷却液；也可以开启高温级制冷系统的第一制冷回路和第二制冷回路，及中温级制冷系统的第三制冷回路，提供中温通道和高温通道的两个通道冷却液；还可以同时开启高温级制冷系统、中温级制冷系统和低温级制冷系统，提供高温通道、中温通道和低温通道三个通道的不同温区冷却液。并且，可以选择打开第二制冷回路，关闭第三制冷回路，或者关闭第二制冷回路，打开第三制冷回路，提供宽温区中温通道。可以选择打开第六制冷回路，关闭第五制冷回路，或者关闭第六制冷回路，打开第五制冷回路，提供宽温区低温通道。

本发明的复叠制冷系统双循环温控设备从高温级制冷系统及中温级制冷系统中分别抽出制冷回路，实现为半导体芯片测试的低温温控设备提供多个通道需求。从高温级制冷系统抽出制冷回路与中温级制冷系统的循环回路进行串联，从中温级制冷系统抽出制冷回路与低温级制冷系统的循环回路进行串联，从而实现各通道的宽温区控温，兼容高低温模式制冷系统，不同温度的通道间可以进行切换或混合控温，达到快速变换温度的目的，对半导体芯片测试的低温温控设备的发展有积极的推动作用。本发明复叠制冷系统双循环温控设备利用三级复叠达到-60℃～-100℃的低温，提升了负载能力和控制精度，同时实现一机多用，同时满足多种不同温度的探针检测使用，弥补现有设备的缺口。

根据本发明提供的一个实施例，第一换热器213的放热通路的出口与第五蒸发器217的吸热通路的入口连通的管路上设有第四阀体218；第二换热器313的放热通路的出口与第四蒸发器314的吸热通路的入口连通的管路上设有第五阀体315；第五蒸发器217与第三循环装置320连通的管路上第三泵体316。

本实施例中，第二制冷系统200的中温制冷剂由第一换热器213流出后可经过第三支路和第四支路，经过第三支路到达第三蒸发器214，第三支路上设置第三阀体215，经过第四支路到达第五蒸发器217，第四支路上设有第四阀体218。第三制冷系统300的低温制冷剂由第二换热器313流出后可经过第五支路，经过第五支路到达第四蒸发器314，第五支路上设置第五阀体315。本实施例中，第四阀体218和第五阀体315均为电子膨胀阀，制冷剂经冷凝后进入膨胀阀节流，通过第四阀体218和第五阀体315的开关控制，可控制第五制冷回路和第六制冷回路的开闭，从而控制中温级制冷系统和低温级制冷系统的工作状态，实现中温通道和低温通道的提供及宽温区控制。

本实施例中，第三泵体316可采用水泵，在选择低温通道开启时，第三泵体316开启，为第三循环回路中的冷却液提供进入第四蒸发器314和第五蒸发器217的放热通道进行热交换的动力。

本实施例中，第三制冷装置310还包括旁通阀V1，V2，V3组成的旁通支路，设置在第七制冷回路的电子膨胀阀EEV4，制冷系统中旁通阀起到系统保护及流量调节作用，并通过冷热旁通设计保证各级制冷循环的可靠稳定运行。

根据本发明提供的一个实施例，第二制冷系统200为多个，多个第二制冷系统200在第一制冷系统100与第二制冷系统200之间并联设置，相邻两个第二制冷系统200中，靠近第一制冷系统100的第二压缩机211、第二冷凝器212的放热通路、第一换热器213的放热通路与靠近第三制冷系统300的第一换热器213的吸热通路依次连通形成第八制冷回路，靠近第三制冷系统300的第二循环装置220、第三蒸发器214的放热通路与靠近第一制冷系统100的第五蒸发器217的放热通路依次连通形成第四循环回路。

本实施例中，在第一制冷系统100与第三制冷系统300之间，可复叠设置多个第二制冷系统200，使整个制冷系统形成三级以上制冷系统，多个第二制冷系统200之间可通过第一换热器213进行并联，增加相应数量的第二制冷系统200，即增加相应个数的第二循环回路，以实现通道的增加，使整体制冷系统可实现更宽温区的制冷。

根据本发明提供的一个实施例，第一制冷装置110还包括第一油分离器118，第一油分离器118设置于第一压缩机111的出口与第一冷凝器112的放热通路的进口连通的管路上；第二制冷装置210还包括第二油分离器219，第二油分离器219设置于第二冷凝器212的放热通路的出口与第一换热器213的放热通路的进口连通的管路上；第三制冷装置310还包括第三油分离器317，第三油分离器317设置于第三冷凝器312的放热通路的出口与第二换热器313的放热通路的进口连通的管路上。

本实施例中，第一油分离器118的入口与第一压缩机111的出口连通，第一油分离器118的制冷剂出口与第一冷凝器112的放热通路的进口连通，第一油分离器118的油出口与第一压缩机111的进口连通；高温制冷剂经第一压缩机111压缩后，进入第一油分离器118将制冷剂与油剂有效分离后，高温制冷剂进入第一冷凝器112冷凝，油剂返回第一压缩机111实现有效回油。第二油分离器219的入口与第二冷凝器212的放热通路的出口连通，第二油分离器219的制冷剂出口与第一换热器213的放热通路的进口连通，第二油分离器219的油出口与第二压缩机211的进口连通；中温制冷剂经第二压缩机211压缩后，进入第二冷凝器212初步冷凝，再进入第二油分离器219将制冷剂与油剂有效分离后，中温制冷剂进入第一热交换器进行再次冷凝，油剂返回第二压缩机211实现有效回油。第三油分离器317的入口与第三冷凝器312的放热通路的出口连通，第三油分离器317的制冷剂出口与第二换热器313的放热通路的进口连通，第三油分离器317的油出口与第三压缩机321的进口连通；低温制冷剂经第三压缩机321压缩后，进入第三冷凝器312初步冷凝，再进入第三油分离器317将制冷剂与油剂有效分离后，低温制冷剂进入第二热交换器进行再次冷凝，油剂返回第三压缩机321实现有效回油。

根据本发明提供的一个实施例，第二制冷装置210还包括第一膨胀泄压组件2110，第一膨胀泄压组件2110与第二压缩机211连通；第三制冷装置310还包括第二膨胀泄压组件318，第二膨胀泄压组件318与第三压缩机321连通。本实施例中，第一膨胀泄压组件2110包括第一膨胀容器和第一膨胀容器上设置的第一泄压阀，第二膨胀泄压组件318包括第二膨胀容器和第二膨胀容器上设置的第二泄压阀。膨胀容器在停机时起到扩容泄压的作用，能够为中温级制冷系统和低温级制冷系统承受多余的压力，保证系统运行安全可靠。

根据本发明提供的一个实施例，第一循环装置120包括第一水箱121和第四泵体122，第一水箱121的第一出水口、第四泵体122、第一负载123、第一水箱121的第一进水口、第一水箱121的第二出水口、第一蒸发器113的放热通路与第一水箱121的第二进水口依次连通形成第一循环回路，第一水箱121内设有第一加热器124；第二循环装置220包括第二水箱221和第五泵体222，第二水箱221的第一出水口、第五泵体222、第二负载223、第二水箱221的第一进水口、第一水箱121的第二出水口、第二蒸发器114的放热通路、第三蒸发器214的放热通路与第二水箱221的第二进水口依次连通形成第二循环回路，第二水箱221内设有第二加热器224；第三循环装置320包括第三水箱321和第六泵体322，第三水箱321的第一出水口、第六泵体322、第三负载323、第三水箱321的第一进水口、第三水箱321的第二出水口、第五蒸发器217的放热通路、第四蒸发器314的放热通路与第三水箱321的第二进水口依次连通形成第三循环回路，第三水箱321内设有第三加热器324。

如图3和图4所示，本实施例中，水箱的两套进出水口分别连接的回路为外循环和内循环，其中，水箱、加热器、水泵和负载组成的回路为外循环，制冷装置与水箱组成的回路为内循环，双循环的系统设计，能够满足流量控制模式或加热器控制模式的选择，可以通过水泵流量调节方式或加热器调节方式进行目标温度的控制。利用内外双循环系统，通过内循环保持稳定温度的低温液体循环，通过外循环的流量变化实现对ESC的温度控制或者在外循环中设置加热器进行温度控制。提高控制精度，且满足客户多样化需求。

在其它实施例中，也可以采用无加热器控制方案，或者将水箱内加热器移至内循环的水泵之后的管路中，还可以在外循环中使用加热器方案代替水泵流量调节方案。

本实施例中，第一循环装置120还包括设置于第四泵体122与第一负载123之间管路上的温度传感器T8、流量计FS3和压力传感器P3、设置于第一水箱121与第一负载123之间的温度传感器T7和设置于第一水箱121内的温度传感器T12，第一制冷装置110还包括设置于第一蒸发器113和第一水箱121的第二进水口之间管路上的温度传感器T9。第二循环装置220还包括设置于第五泵体222与第二负载223之间管路上的温度传感器T4、流量计FS2和压力传感器P2、设置于第二水箱221与第二负载223之间的温度传感器T5和设置于第二水箱221内的温度传感器T11，第二制冷装置210还包括设置于第三蒸发器214和第二水箱221的第二进水口之间管路上的温度传感器T6。第三循环装置320还包括设置于第六泵体322与第三负载323之间管路上的温度传感器T1、流量计FS1和压力传感器P1、设置于第三水箱321与第三负载323之间的温度传感器T2和设置于第二水箱221内的温度传感器T10，第三制冷装置310还包括设置于第四蒸发器314和第三水箱321的第二进水口之间管路上的温度传感器T3。

如图2所示，本发明实施例还提供了应用上述实施例的复叠制冷系统双循环温控设备进行的复叠制冷方法，包括：

选择高温负载通道，温控范围为-20～80℃：

开启第一压缩机111和第一泵体117，输入第一设定温度；

调节第一压缩机111的频率及第一阀体115的开度，直至第一水箱121的第二进水口的温度达到第一设定温度；

即第一制冷回路和第一循环回路运行，温度传感器T9检测第一水箱121的第二进水口的温度达到第一设定温度；

选择中温负载通道，温控范围为-70～-25℃：

开启第三阀体215，关闭第二阀体116，开启第一压缩机111、第二压缩机211和第二泵体216，输入第二设定温度；

调节第一压缩机111和第二压缩机211的频率及第三阀体215的开度，直至第二水箱221的第二进水口的温度达到第二设定温度；

即第三制冷回路和第二循环回路运行，温度传感器T6检测第二水箱221的第二进水口的温度达到第二设定温度；

选择中温负载通道，温控范围为-25～40℃：

开启第二阀体116，关闭第三阀体215，开启第一压缩机111和第二泵体216，输入第三设定温度；

调节第一压缩机111的频率及第二阀体116的开度，直至第二水箱221的第二进水口的温度达到第三设定温度；

即第二制冷回路和第二循环回路运行，温度传感器T6检测第二水箱221的第二进水口的温度达到第二设定温度。

本发明实施例的复叠制冷方法是将低一级的制冷系统冷凝压力及冷凝温度作为控制目标，控制高一级制冷系统的压缩机及电子膨胀阀输出的制冷方法。冷却液内循环温度控制方法是以水箱的第二进水口温度为目标控制，对应蒸发器的吸热通路的进口的电子膨胀阀及压缩机输出，通过水箱内加热器控制水箱内液体温度，通过多级控制方法使各个通道的水箱温度达到稳定温度。冷却液外循环使用变频器控制循环装置中的水泵流量进行温度控制，或采用加热器进行外循环温度控制。该系统控制方法中还包括空载或低负载状态下，降低输出的节能方法，以及提高制冷系统运行可靠性的过热度控制方法，使得系统可以只用一套低温系统即可达到多个通道不同温度范围的宽温区使用，高低温单独使用及组合使用的多种工作模式，使应用更加灵活便利。

根据本发明提供的一个实施例，本发明实施例的复叠制冷方法还包括：

选择低温负载通道，温控范围为-100～-80℃：

开启第五阀体315，关闭第四阀体218，开启第一压缩机111、第二压缩机211、第三压缩机311和第三泵体316，输入第四设定温度；

调节第一压缩机111、第二压缩机211和第三压缩机311的频率及第五阀体315的开度，直至第三水箱321的第二进水口的温度达到第四设定温度；

即第五制冷回路和第三循环回路运行，温度传感器T3检测第三水箱321的第二进水口的温度达到第二设定温度；

选择低温负载通道，温控范围为-70～-25℃：

开启第四阀体218，关闭第五阀体315，开启第一压缩机111、第二压缩机211和第三泵体316，输入第五设定温度；

调节第一压缩机111和第二压缩机211的频率及第四阀体218的开度，直至第三水箱321的第二进水口的温度达到第五设定温度；

即第六制冷回路和第三循环回路运行，温度传感器T3检测第三水箱321的第二进水口的温度达到第二设定温度。

在一个实施例中，各冷凝器可以采用风冷换热器，也可采用水冷换热器；各旁通阀的设计可以灵活调整数量及位置，可采用电磁阀或电子膨胀阀。不限定上述阀体是截止阀、电动阀、电磁阀或其他形式可通断的阀类。

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)

1.一种复叠制冷系统双循环温控设备，其特征在于：包括第一制冷系统和第二制冷系统，所述第一制冷系统包括第一制冷装置和第一循环装置，所述第一制冷装置包括第一压缩机、第一冷凝器、第一蒸发器和第二蒸发器，所述第一压缩机、所述第一冷凝器的放热通路和所述第一蒸发器的吸热通路依次连通形成第一制冷回路，所述第一压缩机、所述第一冷凝器的放热通路和所述第二蒸发器的吸热通路依次连通形成第二制冷回路，所述第一循环装置与所述第一蒸发器的放热通路连通形成第一循环回路；所述第二制冷系统包括第二制冷装置和第二循环装置，所述第二制冷装置包括第二压缩机、第二冷凝器、第一换热器和第三蒸发器，所述第二压缩机、所述第二冷凝器的放热通路、所述第一换热器的放热通路和所述第三蒸发器的吸热通路依次连通形成第三制冷回路，所述第二循环装置、所述第二蒸发器的放热通路和所述第三蒸发器的放热通路依次连通形成第二循环回路；所述第一压缩机、所述第一冷凝器的放热通路和所述第一换热器的吸热通路依次连通形成第四制冷回路；所述第一循环装置包括第一水箱和第四泵体，所述第一水箱的第一出水口、所述第四泵体、第一负载、所述第一水箱的第一进水口、所述第一水箱的第二出水口、所述第一蒸发器的放热通路与所述第一水箱的第二进水口依次连通形成第一循环回路，所述第一水箱内设有第一加热器；所述第二循环装置包括第二水箱和第五泵体，所述第二水箱的第一出水口、所述第五泵体、第二负载、所述第二水箱的第一进水口、所述第二水箱的第二出水口、所述第二蒸发器的放热通路、所述第三蒸发器的放热通路与所述第二水箱的第二进水口依次连通形成所述第二循环回路，所述第二水箱内设有第二加热器。

2.根据权利要求1所述的复叠制冷系统双循环温控设备，其特征在于：所述第一冷凝器的放热通路的出口与所述第一蒸发器的吸热通路的入口连通的管路上设有第一阀体，所述第一冷凝器的放热通路的出口与所述第二蒸发器的吸热通路的入口连通的管路上设有第二阀体；所述第一换热器的放热通路的出口与所述第三蒸发器的吸热通路的入口连通的管路上设有第三阀体；所述第一蒸发器与所述第一循环装置连通的管路上设有第一泵体；所述第二蒸发器与所述第二循环装置连通的管路上设有第二泵体。

3.根据权利要求2所述的复叠制冷系统双循环温控设备，其特征在于：还包括第三制冷系统，所述第三制冷系统包括第三制冷装置和第三循环装置，所述第三制冷装置包括第三压缩机、第三冷凝器、第二换热器和第四蒸发器，所述第三压缩机、所述第三冷凝器的放热通路、所述第二换热器的放热通路和所述第四蒸发器的吸热通路依次连通形成第五制冷回路；所述第二制冷装置还包括第五蒸发器，所述第二压缩机、所述第二冷凝器的放热通路、所述第一换热器的放热通路、所述第五蒸发器的吸热通路依次连通形成第六制冷回路；所述第三循环装置、所述第五蒸发器的放热通路和所述第四蒸发器的放热通路依次连通形成第三循环回路；所述第二压缩机、所述第二冷凝器的放热通路、所述第一换热器的放热通路和所述第二换热器的吸热通路依次连通形成第七制冷回路。

4.根据权利要求3所述的复叠制冷系统双循环温控设备，其特征在于：所述第一换热器的放热通路的出口与所述第五蒸发器的吸热通路的入口连通的管路上设有第四阀体；所述第二换热器的放热通路的出口与所述第四蒸发器的吸热通路的入口连通的管路上设有第五阀体；所述第五蒸发器与所述第三循环装置连通的管路上第三泵体。

5.根据权利要求4所述的复叠制冷系统双循环温控设备，其特征在于：所述第二制冷系统为多个，多个所述第二制冷系统在所述第一制冷系统与所述第三制冷系统之间并联设置，相邻两个所述第二制冷系统中，靠近所述第一制冷系统的所述第二压缩机、所述第二冷凝器的放热通路、所述第一换热器的放热通路与靠近所述第三制冷系统的所述第一换热器的吸热通路依次连通形成第八制冷回路，靠近所述第三制冷系统的第二循环装置、所述第三蒸发器的放热通路与靠近所述第一制冷系统的第五蒸发器的放热通路依次连通形成第四循环回路。

6.根据权利要求3所述的复叠制冷系统双循环温控设备，其特征在于：所述第一制冷装置还包括第一油分离器，所述第一油分离器设置于所述第一压缩机的出口与所述第一冷凝器的放热通路的进口连通的管路上；所述第二制冷装置还包括第二油分离器，所述第二油分离器设置于所述第二冷凝器的放热通路的出口与所述第一换热器的放热通路的进口连通的管路上；所述第三制冷装置还包括第三油分离器，所述第三油分离器设置于所述第三冷凝器的放热通路的出口与所述第二换热器的放热通路的进口连通的管路上。

7.根据权利要求3所述的复叠制冷系统双循环温控设备，其特征在于：所述第二制冷装置还包括第一膨胀泄压组件，所述第一膨胀泄压组件与所述第二压缩机连通；所述第三制冷装置还包括第二膨胀泄压组件，所述第二膨胀泄压组件与所述第三压缩机连通。

8.根据权利要求5所述的复叠制冷系统双循环温控设备，其特征在于：所述第三循环装置包括第三水箱和第六泵体，所述第三水箱的第一出水口、所述第六泵体、第三负载、所述第三水箱的第一进水口、所述第三水箱的第二出水口、所述第五蒸发器的放热通路、所述第四蒸发器的放热通路与所述第三水箱的第二进水口依次连通形成所述第三循环回路，所述第三水箱内设有第三加热器。

9.一种应用权利要求8所述的复叠制冷系统双循环温控设备进行的复叠制冷方法，其特征在于：包括：

选择高温负载通道，温控范围为-20~80℃：

开启第一压缩机和第一泵体，输入第一设定温度；

调节第一压缩机的频率及第一阀体的开度，直至第一水箱的第二进水口的温度达到第一设定温度；

选择中温负载通道，温控范围为-70~-25℃：

开启第三阀体，关闭第二阀体，开启第一压缩机、第二压缩机和第二泵体，输入第二设定温度；

调节第一压缩机和第二压缩机的频率及第三阀体的开度，直至第二水箱的第二进水口的温度达到第二设定温度；

选择中温负载通道，温控范围为-25~40℃：

开启第二阀体，关闭第三阀体，开启第一压缩机和第二泵体，输入第三设定温度；

调节第一压缩机的频率及第二阀体的开度，直至第二水箱的第二进水口的温度达到第三设定温度。

10.根据权利要求9所述的复叠制冷方法，其特征在于：还包括：

选择低温负载通道，温控范围为-100~-80℃：

开启第五阀体，关闭第四阀体，开启第一压缩机、第二压缩机、第三压缩机和第三泵体，输入第四设定温度；

调节第一压缩机、第二压缩机和第三压缩机的频率及第五阀体的开度，直至第三水箱的第二进水口的温度达到第四设定温度；

选择低温负载通道，温控范围为-70~-25℃：

开启第四阀体，关闭第五阀体，开启第一压缩机、第二压缩机和第三泵体，输入第五设定温度；

调节第一压缩机和第二压缩机的频率及第四阀体的开度，直至第三水箱的第二进水口的温度达到第五设定温度。

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