CN114740915B - 一种可双重预冷的温控设备及温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可双重预冷的温控设备及温控方法，涉及半导体技术领域，可双重预冷的温控设备包括循环系统和制冷系统，循环系统包括水泵、水箱和电动三通阀，水泵的出液口与负载设备的进液口连通，负载设备的出液口设置有第一温度传感器，负载设备的出液口与电动三通阀的第一接口连通，电动三通阀的第二接口与水箱的第一进液口连通。通过控制电动三通阀，使得厂务水支路中的液体在预冷装置中与循环液进行热交换，实现对循环液的第一次预冷，再在水箱中通过制冷剂与循环液进行换热，实现了对循环液进行第二次预冷；通过对循环液进行双重预先换热，降低了循环液进入第一蒸发器入口时的温度，降低了对第一蒸发器的要求，提高了温控设备的温控精度。

Description

一种可双重预冷的温控设备及温控方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种可双重预冷的温控设备及温控方法。

背景技术

目前晶圆加工用温控设备复叠制冷系统多数为循环液与制冷剂通过蒸发器只进行一次换热，由于循环液进入蒸发器入口时的温度较高，单纯依靠循环液在蒸发器中发生换热，对蒸发器依赖较大，容易造成蒸发器入口温度波动过大，使得控制上容易造成压缩机输出波动过大，电子膨胀阀开度来回波动，导致温控精度较低。

发明内容

本发明提供一种可双重预冷的温控设备，用以解决现有温控设备存在换热效率低和温控精度低的问题。

本发明提供一种可双重预冷的温控设备，包括：

循环系统，包括水泵、水箱和电动三通阀，所述水泵的出液口与负载设备的进液口连通，所述负载设备的出液口设置有第一温度传感器，所述负载设备的出液口与所述电动三通阀的第一接口连通，所述电动三通阀的第二接口与所述水箱的第一进液口连通；

制冷系统，包括预冷装置、制冷装置和制冷剂循环装置，所述制冷剂循环装置包括第一蒸发器、换热装置和第一压缩机，所述换热装置设置于所述水箱内，所述换热装置的入口与所述第一蒸发器的第一入口共同连通所述制冷装置的出口，所述换热装置的入口设置有第一电控阀，所述换热装置的出口与所述第一蒸发器的第一出口共同连通所述第一压缩机的入口，所述第一压缩机的出口与所述制冷装置的入口连通，所述第一蒸发器的第二入口与所述水箱的出液口连通，所述第一蒸发器的第二出口与所述水泵的进液口连通；所述预冷装置的第一入口与所述电动三通阀的第三接口连通，所述预冷装置的第一出口与所述水箱的第二进液口连通，所述预冷装置的第二进液口与厂务水支路的出液管连通，所述预冷装置的第二出口与所述厂务水支路的回液管连通。

根据本发明提供的一种可双重预冷的温控设备，所述制冷装置包括冷凝器、第二压缩机、电子膨胀阀和第二蒸发器，所述冷凝器串联于厂务水支路上，所述冷凝器、所述电子膨胀阀、所述第二蒸发器以及所述第二压缩机依次串联构成制冷回路；所述第一压缩机的出口与所述第二蒸发器的第一入口连通，所述换热装置的入口与所述第一蒸发器的第一入口共同连通所述第二蒸发器的第一出口。

根据本发明提供的一种可双重预冷的温控设备，所述制冷剂循环装置还包括：

膨胀容器，所述换热装置的出口与所述第一蒸发器的第一出口共同连通所述第一压缩机的入口以及所述膨胀容器的第一连接口，所述第一压缩机的出口与所述膨胀容器的第二连接口共同连通所述第二蒸发器的第一入口。

根据本发明提供的一种可双重预冷的温控设备，所述膨胀容器的第二连接口设置有第二电控阀。

根据本发明提供的一种可双重预冷的温控设备，所述负载设备的进液口设置有第二温度传感器。

根据本发明提供的一种可双重预冷的温控设备，所述第一蒸发器的第一入口设置有第三电控阀，所述第一电控阀、所述第二电控阀以及所述第三电控阀均为电子膨胀阀。

根据本发明提供的一种可双重预冷的温控设备，所述换热装置与所述水箱一体成型，所述水箱设置有液位计。

根据本发明提供的一种可双重预冷的温控设备，所述换热装置的出口设置有压力调节阀。

根据本发明提供的一种可双重预冷的温控设备，所述预冷装置为冷凝器。

本发明还提供一种可双重预冷的温控方法，所述可双重预冷的温控方法基于上述任意一项所述的可双重预冷的温控设备，包括以下步骤：

获取所述负载设备出液口的回口温度值；

将所述回口温度值与所述厂务水支路中液体的温度值进行比较；

若所述回口温度值大于所述厂务水支路中液体的温度值，则关闭所述电动三通阀的第二接口，并打开所述电动三通阀的第三接口；

若所述回口温度值小于所述厂务水支路中液体的温度值，则打开所述电动三通阀的第二接口，并关闭所述电动三通阀的第三接口。

本发明实施例提供的半导体温控设备，在设备运行中出现大负载的情况下，通过控制电动三通阀，使得厂务水支路中的液体在预冷装置中与循环液进行热交换，实现对循环液的第一次预冷，再在水箱中通过制冷剂与循环液进行换热，实现了对循环液进行第二次预冷；通过对循环液进行双重预先换热，降低了循环液进入第一蒸发器入口时的温度，降低了对第一蒸发器的要求，提高了温控设备的温控精度。由于换热装置及管路设置于水箱内部，并未改变温控设备的外形和尺寸，以及零部件的外形和尺寸，因此提高了温控设备的空间利用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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是本发明提供的可双重预冷的温控设备的结构原理示意图。

附图标记：

1、第二电控阀；2、第一压缩机；3、膨胀容器；4、压力调节阀；5、第三电控阀；6、第一蒸发器；7、水泵；8、第二温度传感器；9、第一温度传感器；10、电动三通阀；11、预冷装置；12、水箱；13、换热装置；14、第一电控阀；15、冷凝器；16、电子膨胀阀；17、第二压缩机；18、第二蒸发器；19、负载设备。

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。

图1示例了一种可双重预冷的温控设备的结构原理示意图，如图1所示，可双重预冷的温控设备包括循环系统和制冷系统，循环系统包括水泵7、水箱12和电动三通阀10，水泵7的出液口与负载设备19的进液口连通，负载设备19的出液口设置有第一温度传感器9，负载设备19的出液口与电动三通阀10的第一接口连通，电动三通阀10的第二接口与水箱12的第一进液口连通。

制冷系统包括预冷装置11、制冷装置和制冷剂循环装置，制冷剂循环装置包括第一蒸发器6、换热装置13和第一压缩机2，换热装置13设置于水箱12内，换热装置13的入口与第一蒸发器6的第一入口共同连通制冷装置的出口，换热装置13的入口设置有第一电控阀14，换热装置13的出口与第一蒸发器6的第一出口共同连通第一压缩机2的入口，第一压缩机2的出口与制冷装置的入口连通，第一蒸发器6的第二入口与水箱12的出液口连通，第一蒸发器6的第二出口与水泵7的进液口连通。预冷装置11的第一入口与电动三通阀10的第三接口连通，预冷装置11的第一出口与水箱12的第二进液口连通，预冷装置11的第二进液口与厂务水支路的出液管连通，预冷装置11的第二出口与厂务水支路的回液管连通。

本发明实施例提供的半导体温控设备，在设备运行中出现大负载的情况下，通过控制电动三通阀10，使得厂务水支路中的液体在预冷装置11中与循环液进行热交换，实现对循环液的第一次预冷，再在水箱12中通过制冷剂与循环液进行换热，实现了对循环液进行第二次预冷；通过对循环液进行双重预先换热，降低了循环液进入第一蒸发器6入口时的温度，降低了对第一蒸发器6的要求，提高了温控设备的温控精度。由于换热装置13及管路设置于水箱12内部，并未改变温控设备的外形和尺寸，以及零部件的外形和尺寸，因此提高了温控设备的空间利用率。

在本发明的实施例中，水泵7、水箱12、负载设备19和第一蒸发器6构成了循环液的循环管路，水泵7用于驱动循环液在循环管路中循环，从而完成热量交换。

在本发明的实施例中，制冷装置包括冷凝器15、第二压缩机17、电子膨胀阀16和第二蒸发器18，冷凝器15串联于厂务水支路上，即冷凝器15的第一入口与厂务水支路的出液管连通，冷凝器15的第一出口与厂务水支路的回液管连通。冷凝器15、电子膨胀阀16、第二蒸发器18以及第二压缩机17依次串联构成制冷回路，即冷凝器15的第二出口与电子膨胀阀16的入口连通，电子膨胀阀16的出口与第二蒸发器18的第二入口连通，第二蒸发器18的第二出口与第二压缩机17的入口连通，第二压缩机17的出口与冷凝器15的第二入口连通。第一压缩机2的出口与第二蒸发器18的第一入口连通，换热装置13的入口与第一蒸发器6的第一入口共同连通第二蒸发器18的第一出口。

预冷装置11用于使得厂务水支路中的液体与循环液进行热交换，实现对循环液的第一次预冷，预冷装置11为冷凝器。当然预冷装置11的类型并不限定于此，还可是其他类型的换热装置13。

冷凝器15用于与厂务水支路内的液体进行热量交换，第二蒸发器18用于与制冷剂回路进行热量交换。第一压缩机2将制冷剂输送至第二蒸发器18进行热量交换，使得制冷剂的温度降低，温度降低后的制冷剂再分别进入第一蒸发器6和换热装置13，其中，制冷剂在换热装置13中与循环液进行第二次预先换热，在水箱12内通过换热装置13对循环液进行预先换热，降低了循环液进入第一蒸发器6入口时的温度，降低了对第一蒸发器6的要求，提高了温控设备的温控精度。通过采用PID控制，可自动调节水箱12内部换热量，根据负载设备19进液口和/或出液口的检测温度值控制进入水箱12内部换热的制冷剂量。通过利用水箱12内部空间实现循环液与制冷剂进行预先换热，增加系统整体换热量。能保证循环液进到第一蒸发器6的温度低于常温，有利于超低温下循环液换热。避免单纯依靠循环液在制冷系统的第一蒸发器6中进行降温，降低了制冷系统的负荷。避免了压缩机输出波动过大，电子膨胀阀16开度来回波动，有利于提高系统整体寿命及长期稳定性。

在本发明的实施例中，制冷剂循环装置还包括膨胀容器3，换热装置13的出口与第一蒸发器6的第一出口共同连通第一压缩机2的入口以及膨胀容器3的第一连接口，第一压缩机2的出口与膨胀容器3的第二连接口共同连通第二蒸发器18的第一入口，膨胀容器3的第二连接口设置有第二电控阀1。

这里需要说明的是，由于制冷剂在常温下是气态，膨胀的很厉害，在-70℃的时候，制冷剂是液体，但是如果停机了以后，回到常温的时候，管路内部压力会特别高，因此在管路上设置膨胀容器3，可使得整个系统的容积变大，制冷剂膨胀之后，管路的内部压力不会增加的特别高，有效提高温控设备的安全性。通过设置第二电控阀1，可控制进入膨胀容器3内部的制冷剂量。

在本发明的实施例中，换热装置13的出口设置有压力调节阀4，压力调节阀4用于调节换热装置13出口处制冷剂的压力，换热装置13可以为换热管也可翅片形式的换热器。

在本发明的实施例中，负载设备19的进液口设置有第二温度传感器8，第二温度传感器8用于检测负载设备19进液口的温度值，根据负载设备19出液口和/或进液口的温度值，控制进入水箱12内部进行换热的制冷剂量，可进一步提高温控设备的温控精度。

在本发明的实施例中，第一蒸发器6的第一入口设置有第三电控阀5，第一电控阀14、第二电控阀1以及第三电控阀5均为电子膨胀阀16，通过将电子膨胀阀16、第一温度传感器9以及第二温度传感器8分别与PID控制器电连接，可实现温控设备的自动控制。

在本发明的实施例中，换热装置13与水箱12一体成型，水箱12设置有液位计，通过设置液位计可方便观察水箱12内部循环液的量。

下面结合图1描述本发明的一个具体实施例：图1中，可双重预冷的温控设备包括循环系统和制冷系统，循环系统包括水泵7、水箱12和电动三通阀10，水泵7的出液口与负载设备19的进液口连通，负载设备19的出液口设置有第一温度传感器9，负载设备19的出液口与电动三通阀10的第一接口连通，电动三通阀10的第二接口与水箱12的第一进液口连通。

制冷系统包括预冷装置11、制冷装置和制冷剂循环装置，制冷剂循环装置包括第一蒸发器6、膨胀容器3、换热装置13和第一压缩机2，换热装置13设置于水箱12内，换热装置13的入口设置有第一电控阀14，换热装置13的出口与第一蒸发器6的第一出口共同连通第一压缩机2的入口以及膨胀容器3的第一连接口，第一压缩机2的出口与膨胀容器3的第二连接口共同连通第二蒸发器18的第一入口。第一蒸发器6的第二入口与水箱12的出液口连通，第一蒸发器6的第二出口与水泵7的进液口连通。预冷装置11为冷凝器15，预冷装置11的第一入口与电动三通阀10的第三接口连通，预冷装置11的第一出口与水箱12的第二进液口连通，预冷装置11的第二进液口与厂务水支路的出液管连通，预冷装置11的第二出口与厂务水支路的回液管连通。

制冷装置包括冷凝器15、第二压缩机17、电子膨胀阀16和第二蒸发器18，冷凝器15的第一入口与厂务水支路的出液管连通，冷凝器15的第一出口与厂务水支路的回液管连通。冷凝器15的第二出口与电子膨胀阀16的入口连通，电子膨胀阀16的出口与第二蒸发器18的第二入口连通，第二蒸发器18的第二出口与第二压缩机17的入口连通，第二压缩机17的出口与冷凝器15的第二入口连通。第一压缩机2的出口与第二蒸发器18的第一入口连通，换热装置13的入口与第一蒸发器6的第一入口共同连通第二蒸发器18的第一出口。

膨胀容器3的第二连接口设置有第二电控阀1，第一蒸发器6的第一入口设置有第三电控阀5，第一电控阀14、第二电控阀1以及第三电控阀5均为电子膨胀阀16。换热装置13的出口设置有压力调节阀4，负载设备19的进液口设置有第二温度传感器8，换热装置13与水箱12一体成型，水箱12设置有液位计。

本发明实施例还提供一种可双重预冷的温控方法，可双重预冷的温控方法基于上述任意一项实施例所述的可双重预冷的温控设备，可双重预冷的温控方法包括以下步骤：

获取负载设备19出液口的回口温度值；

将回口温度值与厂务水支路中液体的温度值进行比较；

若回口温度值大于厂务水支路中液体的温度值，则关闭电动三通阀10的第二接口，并打开电动三通阀10的第三接口；

回口温度值大于厂务水支路中液体的温度值(即回口温度值大于PCW的温度值)，说明负载设备19出液口的温度值较高，此时，关闭电动三通阀10的第二接口并打开电动三通阀10的第三接口，使得循环液先进入预冷装置11中与厂务水支路中的液体进行第一次预先换热，温度降低后的循环液再进入水箱12内与制冷剂进行第二次换热，通过对循环液进行双重预先换热，降低了循环液进入第一蒸发器6入口时的温度，降低了对第一蒸发器6的要求，降低了制冷系统的载荷，提高了温控设备的温控精度，增大了温控系统运行的温度范围和承受载荷。

若回口温度值小于厂务水支路中液体的温度值，则打开电动三通阀10的第二接口，并关闭电动三通阀10的第三接口。

若回口温度值小于厂务水支路中液体的温度值(即回口温度值小于PCW的温度值)，说明负载设备19出液口的温度值较低。此时，打开电动三通阀10的第二接口并关闭电动三通阀10的第三接口，使得循环液直接进入水箱12内与制冷剂进行预先换热，同样能够保证进入第一蒸发器6第一入口的循环液的温度处于稳定状态，提高了温控系统的温控精度。

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 (9)

1.一种可双重预冷的温控设备，其特征在于，包括：

循环系统，包括水泵、水箱和电动三通阀，所述水泵的出液口与负载设备的进液口连通，所述负载设备的出液口设置有第一温度传感器，所述负载设备的出液口与所述电动三通阀的第一接口连通，所述电动三通阀的第二接口与所述水箱的第一进液口连通；

制冷系统，包括预冷装置、制冷装置和制冷剂循环装置，所述制冷剂循环装置包括第一蒸发器、换热装置和第一压缩机，所述换热装置设置于所述水箱内，所述换热装置的入口与所述第一蒸发器的第一入口共同连通所述制冷装置的出口，所述换热装置的入口设置有第一电控阀，所述换热装置的出口与所述第一蒸发器的第一出口共同连通所述第一压缩机的入口，所述第一压缩机的出口与所述制冷装置的入口连通，所述第一蒸发器的第二入口与所述水箱的出液口连通，所述第一蒸发器的第二出口与所述水泵的进液口连通；所述预冷装置的第一入口与所述电动三通阀的第三接口连通，所述预冷装置的第一出口与所述水箱的第二进液口连通，所述预冷装置的第二进液口与厂务水支路的出液管连通，所述预冷装置的第二出口与所述厂务水支路的回液管连通；

所述制冷装置包括冷凝器、第二压缩机、电子膨胀阀和第二蒸发器，所述冷凝器串联于厂务水支路上，所述冷凝器、所述电子膨胀阀、所述第二蒸发器以及所述第二压缩机依次串联构成制冷回路；所述第一压缩机的出口与所述第二蒸发器的第一入口连通，所述换热装置的入口与所述第一蒸发器的第一入口共同连通所述第二蒸发器的第一出口。

2.根据权利要求1所述的可双重预冷的温控设备，其特征在于，所述制冷剂循环装置还包括：

膨胀容器，所述换热装置的出口与所述第一蒸发器的第一出口共同连通所述第一压缩机的入口以及所述膨胀容器的第一连接口，所述第一压缩机的出口与所述膨胀容器的第二连接口共同连通所述第二蒸发器的第一入口。

3.根据权利要求2所述的可双重预冷的温控设备，其特征在于，所述膨胀容器的第二连接口设置有第二电控阀。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的可双重预冷的温控设备，其特征在于，所述负载设备的进液口设置有第二温度传感器。

5.根据权利要求3所述的可双重预冷的温控设备，其特征在于，所述第一蒸发器的第一入口设置有第三电控阀，所述第一电控阀、所述第二电控阀以及所述第三电控阀均为电子膨胀阀。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的可双重预冷的温控设备，其特征在于，所述换热装置与所述水箱一体成型，所述水箱设置有液位计。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的可双重预冷的温控设备，其特征在于，所述换热装置的出口设置有压力调节阀。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的可双重预冷的温控设备，其特征在于，所述预冷装置为冷凝器。

9.一种可双重预冷的温控方法，所述可双重预冷的温控方法基于权利要求1至8中任意一项所述的可双重预冷的温控设备，其特征在于，包括以下步骤：

获取所述负载设备出液口的回口温度值；

将所述回口温度值与所述厂务水支路中液体的温度值进行比较；

若所述回口温度值大于所述厂务水支路中液体的温度值，则关闭所述电动三通阀的第二接口，并打开所述电动三通阀的第三接口；

若所述回口温度值小于所述厂务水支路中液体的温度值，则打开所述电动三通阀的第二接口，并关闭所述电动三通阀的第三接口。