CN115167561B - 一种宽温域复叠温控系统及温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽温域复叠温控系统及温控方法，涉及半导体制造领域，宽温域复叠温控系统包括低温制冷系统、高温制冷系统和循环系统，低温制冷系统包括第一压缩机、第一冷凝器、第一蒸发器、第一电子膨胀阀、第四电子膨胀阀和第五电子膨胀阀，第一冷凝器的第一入口和第一出口串接于制冷管路，第一压缩机的出口与第一冷凝器的第二入口连通，第一压缩机的入口与第一蒸发器的第一出口连通。为了配合高温段和低温段制冷量需求不同，在主路采用两个量程不同或者相同的第一电子膨胀阀和第五电子膨胀阀，以实现宽温域温度控制。相较于现有的温控设备，体积大大减小；相较于单独采用一个较大量程的控制阀，采用两个控制阀进行控制，有效提高了温控精度。

Description

一种宽温域复叠温控系统及温控方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种宽温域复叠温控系统及温控方法。

背景技术

在先进的集成电路工艺制程中，为满足工艺的加工要求，对半导体温控设备的温度有了新的需求。目前的低温要求范围为-20℃～-70℃，-40℃以上采用单级压缩制冷可以实现，到-70℃目前主要采用传统两级复叠的方式。随着工艺制程的发展，要求半导体温控设备既能提供超低温，又能提供高温，即温度范围较宽。为了满足宽温域要求，多数情况下采用复叠系统，通过多个蒸发器，在不同的温度范围，通过开启高温级和/或低温级的压缩机来实现高温段和低温段的控制。由于采用了多个蒸发器，设备的占地面积增加。另外，有的复叠系统采用一个蒸发器，由于要实现宽温域范围，需要选择较大量程的主路电子膨胀阀，这就降低了控制精度，提高了控制难度。

发明内容

本发明提供一种宽温域复叠温控系统，用以解决现有温控设备存在占用空间大和温控精度低的问题。

本发明提供一种宽温域复叠温控系统，包括：

低温制冷系统，包括第一压缩机、第一冷凝器、第一蒸发器、第一电子膨胀阀、第四电子膨胀阀和第五电子膨胀阀，所述第一冷凝器的第一入口和第一出口串接于制冷管路，所述第一压缩机的出口与所述第一冷凝器的第二入口连通，所述第一压缩机的入口与所述第一蒸发器的第一出口连通，所述第一电子膨胀阀的出口、所述第四电子膨胀阀的出口以及所述第五电子膨胀阀的出口共接于所述第一蒸发器的第一入口；

高温制冷系统，包括第二压缩机、第二冷凝器、第二蒸发器和第二电子膨胀阀，所述第二冷凝器的第一入口和第一出口串接于所述制冷管路，所述第二冷凝器的第二入口与所述第二压缩机的出口连通，所述第二压缩机的入口与所述第二蒸发器的第一出口连通，所述第二蒸发器的第一入口与所述第二电子膨胀阀的出口连通，所述第二电子膨胀阀的入口与所述第二冷凝器的第二出口连通，所述第一电子膨胀阀的入口和所述第五电子膨胀阀的入口共接于所述第二蒸发器的第二出口，所述第二蒸发器的第二入口与所述第四电子膨胀阀的入口共接于所述第一冷凝器的第二出口；

循环系统，所述第一蒸发器的第二入口与所述循环系统的出口连通，所述循环系统的入口与所述第一蒸发器的第二出口连通，所述循环系统的出口设置有第二温度传感器，所述循环系统的入口设置有第三温度传感器。

根据本发明实施例提供的一种宽温域复叠温控系统，所述循环系统包括水箱、水泵、加热器和流量传感器，所述水箱的入口与所述第一蒸发器的第二出口连通，所述第三温度传感器设置于所述水箱的入口，所述加热器设置于所述水箱内，所述水箱的出口与所述水泵的入口连通，所述水泵的出口与负载设备的入口连通，所述负载设备的出口与所述第一蒸发器的第二入口连通，所述第二温度传感器设置于所述负载设备的出口，所述流量传感器设置于所述负载设备的入口。

根据本发明实施例提供的一种宽温域复叠温控系统，所述循环系统还包括：

第三压力传感器，设置于所述负载设备的入口。

根据本发明实施例提供的一种宽温域复叠温控系统，所述循环系统还包括：

控制阀，所述控制阀的入口与所述水箱连通，所述控制阀的出口与所述负载设备的入口连通。

根据本发明实施例提供的一种宽温域复叠温控系统，所述负载设备的入口设置有第一温度传感器。

根据本发明实施例提供的一种宽温域复叠温控系统，所述水箱设置有液位传感器。

根据本发明实施例提供的一种宽温域复叠温控系统，所述低温制冷系统还包括：

第一压力传感器，设置于所述第一压缩机的入口；

第二压力传感器，设置于所述第一压缩机的出口。

根据本发明实施例提供的一种宽温域复叠温控系统，所述第二蒸发器的第二出口设置有第四温度传感器。

根据本发明实施例提供的一种宽温域复叠温控系统，所述高温制冷系统还包括：

第三电子膨胀阀，所述第三电子膨胀阀的入口与所述第二压缩机的出口连通，所述第三电子膨胀阀的出口与所述第二蒸发器的第一入口连通。

本发明还提供一种宽温域复叠温控方法，所述温控方法基于上述任意一项所述的宽温域复叠温控系统；所述温控方法包括以下步骤：

获取第二温度传感器和第三温度传感器采集的温度值；

将所述第二温度传感器采集的温度值与第一目标温度进行比对，得到第一输出控制量，将所述第三温度传感器采集的温度值与第二目标温度进行比对，得到第二输出控制量；将所述第一输出控制量与所述第二输出控制量求和，得到制冷量；

在任意温度区间内，将所述制冷量划分为0％-A％和A％-100％两个区间，其中，0％对应第一电子膨胀阀和第四电子膨胀阀的下限值，A％对应第一电子膨胀阀的上限值和第五电子膨胀阀的下限值，100％对应第五电子膨胀阀的上限值和第四电子膨胀阀的上限值；

根据所述制冷量分别对第一电子膨胀阀、第四电子膨胀阀和第五电子膨胀阀的开度进行调节。

本发明实施例提供的宽温域复叠温控系统，为了配合高温段和低温段制冷量需求不同，在主路采用两个量程不同或者相同的第一电子膨胀阀和第五电子膨胀阀，以实现宽温域温度控制；在低温段单独采用第一电子膨胀阀进行控制，或同时采用第一电子膨胀阀和第五电子膨胀阀进行控制；在高温段采用第五电子膨胀阀进行控制。相较于现有的温控设备，体积大大减小；相较于单独采用一个较大量程的控制阀，采用两个控制阀进行控制，有效提高了温控精度。

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是本发明实施例提供的宽温域复叠温控系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的宽温域复叠温控系统的控制原理示意图；

附图标记：

COMP1、第一压缩机；HE2、第一冷凝器；HE1、第一蒸发器；EEV1、第一电子膨胀阀；EEV4、第四电子膨胀阀；EEV5、第五电子膨胀阀；P1、第一压力传感器；P2、第二压力传感器；T4、第四温度传感器；COMP2、第二压缩机；HE4、第二冷凝器；HE3、第二蒸发器；EEV2、第二电子膨胀阀；EEV3、第三电子膨胀阀；TANK1、水箱；PUMP1、水泵；HT1、加热器；T1、第一温度传感器；T2、第二温度传感器；T3、第三温度传感器；P3、第三压力传感器；FS1、流量传感器；V1、控制阀；LG、液位传感器；PCW、制冷管路；CNTLR1、第一控制器；CNTLR2、第二控制器。

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。

图1示例了一种宽温域复叠温控系统的结构示意图，图2是本发明实施例提供的宽温域复叠温控系统的控制原理示意图，如图1和图2所示，宽温域复叠温控系统包括低温制冷系统、高温制冷系统和循环系统。

低温制冷系统包括第一压缩机COMP1、第一冷凝器HE2、第一蒸发器HE1、第一电子膨胀阀EEV1、第四电子膨胀阀EEV4和第五电子膨胀阀EEV5，第一冷凝器HE2的第一入口和第一出口串接于制冷管路PCW，第一压缩机COMP1的出口与第一冷凝器HE2的第二入口连通，第一压缩机COMP1的入口与第一蒸发器HE1的第一出口连通，第一电子膨胀阀EEV1的出口、第四电子膨胀阀EEV4的出口以及第五电子膨胀阀EEV5的出口共接于第一蒸发器HE1的第一入口。低温制冷系统制冷过程中，由于经过第四电子膨胀阀EEV4的制冷剂并不经过第二蒸发器HE3，制冷剂的温度最低，因此通过调节第四电子膨胀阀EEV4的开度，可调节低温制冷系统的制冷速率，即第四电子膨胀阀EEV4的开度越大，低温制冷系统的制冷速率越大，第四电子膨胀阀EEV4的开度越小，低温制冷系统的制冷速率越小。

这里需要说明的是，在制冷过程中，低温制冷系统输出的冷量大于高温制冷系统输出的冷量，此时，低温制冷系统起到主要的制冷作用，高温制冷系统起到次要的制冷作用。这里的低温和高温只是为了说明两个制冷系统输出的冷量多少，并不代表实际的温度。

高温制冷系统包括第二压缩机COMP2、第二冷凝器HE4、第二蒸发器HE3和第二电子膨胀阀EEV2，第二冷凝器HE4的第一入口和第一出口串接于制冷管路PCW，第二冷凝器HE4的第二入口与第二压缩机COMP2的出口连通，第二压缩机COMP2的入口与第二蒸发器HE3的第一出口连通，第二蒸发器HE3的第一入口与第二电子膨胀阀EEV2的出口连通，第二电子膨胀阀EEV2的入口与第二冷凝器HE4的第二出口连通，第一电子膨胀阀EEV1的入口和第五电子膨胀阀EEV5的入口共接于第二蒸发器HE3的第二出口，第二蒸发器HE3的第二入口与第四电子膨胀阀EEV4的入口共接于第一冷凝器HE2的第二出口。

第一蒸发器HE1的第二入口与循环系统的出口连通，循环系统的入口与第一蒸发器HE1的第二出口连通，循环系统的出口设置有第二温度传感器T2，循环系统的入口设置有第三温度传感器T3。第二温度传感器T2用于检测循环系统出口的温度值，即负载设备出口的温度值。第三温度传感器T3用于检测循环系统入口的温度值，即水箱TANK1入口的温度值，在温度控制过程中水箱TANK1入口的温度作为主控制目标。

本发明实施例提供的宽温域复叠温控系统，为了配合高温段和低温段制冷量需求不同，在主路采用两个量程不同或者相同的第一电子膨胀阀EEV1和第五电子膨胀阀EEV5，以实现宽温域温度控制；在低温段单独采用第一电子膨胀阀EEV1进行控制，或同时采用第一电子膨胀阀EEV1和第五电子膨胀阀EEV5进行控制；在高温段采用第五电子膨胀阀EEV5进行控制。相较于现有的温控设备，体积大大减小；相较于单独采用一个较大量程的控制阀，采用两个控制阀V1进行控制，有效提高了温控精度。

在本发明的实施例中，循环系统包括水箱TANK1、水泵PUMP1、加热器HT1和流量传感器FS1，水箱TANK1的入口与第一蒸发器HE1的第二出口连通，第三温度传感器T3设置于水箱TANK1的入口，加热器HT1设置于水箱TANK1内，加热器HT1用于对水箱TANK1内的介质进行加热。当然加热器HT1也可单独设置，此时加热器HT1串接于水箱TANK1的出口与水泵PUMP1的入口之间。水箱TANK1的出口与水泵PUMP1的入口连通，水泵PUMP1的出口与负载设备的入口连通，负载设备的出口与第一蒸发器HE1的第二入口连通，第二温度传感器T2设置于负载设备的出口，流量传感器FS1设置于负载设备的入口。流量传感器FS1用于检测进入负载设备入口的制冷剂的实时流量，以对水泵PUMP1进行控制，进而实现对制冷剂流量的精确控制，提高了温控精度。

在本发明的实施例中，循环系统还包括第三压力传感器P3，第三压力传感器P3设置于负载设备的入口。第三压力传感器P3用于检测负载设备入口的压力值。

在本发明的实施例中，循环系统还包括控制阀V1，控制阀V1的入口与水箱TANK1连通，控制阀V1的出口与负载设备的入口连通。在控制阀V1打开的过程中，从水箱TANK1中流出的制冷剂经过水泵PUMP1之后，部分制冷剂通过控制阀V1又回到了水箱TANK1中进行二次加热，提高了水箱TANK1输出制冷剂的温度。

在本发明的实施例中，负载设备的入口设置有第一温度传感器T1，第一温度传感器T1用于检测负载设备入口的温度，通过结合第一温度传感器T1采集的温度值进行温度控制，进一步提高了温控精度。

在本发明的实施例中，水箱TANK1设置有液位传感器LG，液位传感器LG用于实时监测水箱TANK1内的液位高度。

在本发明的实施例中，低温制冷系统还包括第一压力传感器P1和第二压力传感器P2，第一压力传感器P1设置于第一压缩机COMP1的入口，第一压力传感器P1用于检测第一压缩机COMP1入口的压力值。第二压力传感器P2设置于第一压缩机COMP1的出口，第二压力传感器P2用于检测第一压缩机COMP1出口的压力值。通过对第一压缩机COMP1两侧的压力进行检测，可准确控制低温制冷系统输出的冷量，进一步提高了温控精度。

在本发明的实施例中，第二蒸发器HE3的第二出口设置有第四温度传感器T4。

在本发明的实施例中，高温制冷系统还包括第三电子膨胀阀EEV3，第三电子膨胀阀EEV3的入口与第二压缩机COMP2的出口连通，第三电子膨胀阀EEV3的出口与第二蒸发器HE3的第一入口连通。通过控制第三电子膨胀阀EEV3的开度，可提高高温制冷系统输出冷量的调节速率，第三电子膨胀阀EEV3的开度越大，高温制冷系统输出冷量的调节速率越大。

本发明还提供一种宽温域复叠温控方法，温控方法基于上述任意一项实施例所述的宽温域复叠温控系统。温控方法包括以下步骤：

步骤S100，获取第二温度传感器T2和第三温度传感器T3采集的温度值；

这里需要说明的是，获取第二温度传感器T2采集的温度值通过CNTLR1来完成，CNTLR1与第二温度传感器T2电连接。获取第三温度传感器T3采集的温度值通过CNTLR2来完成，CNTLR2与第三温度传感器T3电连接。

步骤S200，将第二温度传感器T2采集的温度值与第一目标温度进行比对，得到第一输出控制量，将第三温度传感器T3采集的温度值与第二目标温度进行比对，得到第二输出控制量；将第一输出控制量与第二输出控制量求和，得到制冷量；

CNTLR1将第二温度传感器T2采集的温度值与第一目标温度进行比对，得到第一输出控制量。CNTLR2将第三温度传感器T3采集的温度值与第二目标温度进行比对，得到第二输出控制量。第三控制器分别与CNTLR1和CNTLR2电连接，第三控制器分别与第一电子膨胀阀EEV1、第四电子膨胀阀EEV4以及第五电子膨胀阀EEV5电连接。CNTLR1将第一输出控制量发送至第三控制器，CNTLR2将第二输出控制量发送至第三控制器，第三控制器将第一输出控制量与第二输出控制量求和，从而得到制冷量。

步骤S300，在任意温度区间内，将制冷量划分为0％-A％和A％-100％两个区间，其中，0％对应第一电子膨胀阀EEV1和第四电子膨胀阀EEV4的下限值，A％对应第一电子膨胀阀EEV1的上限值和第五电子膨胀阀EEV5的下限值，100％对应第五电子膨胀阀EEV5的上限值和第四电子膨胀阀EEV4的上限值；

通过确定每个电子膨胀阀的上限值和下限值可方便对每个电磁阀进行精确控制，以提高温控精度。这里需要说明的是，本实施例中，A为50，当然，A的取值范围并不限定于此，A可以为0至100之间的任意一个正数。上限值为电子膨胀阀的最大开度，下限值指电子膨胀阀处于闭合状态。

步骤S400，根据制冷量分别对第一电子膨胀阀EEV1、第四电子膨胀阀EEV4和第五电子膨胀阀EEV5的开度进行调节。

如图2所示，计算出制冷量之后，第三控制器根据制冷量分别对第一电子膨胀阀EEV1、第四电子膨胀阀EEV4和第五电子膨胀阀EEV5的开度进行调节。通过在低温段单独采用第一电子膨胀阀EEV1进行控制，或同时采用第一电子膨胀阀EEV1和第五电子膨胀阀EEV5进行控制；在高温段采用第五电子膨胀阀EEV5进行控制。相较于现有的温控设备，体积大大减小；相较于单独采用一个较大量程的控制阀V1，采用两个控制阀V1进行控制，有效提高了温控精度。

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 (10)

1.一种宽温域复叠温控系统，其特征在于，包括：

低温制冷系统，包括第一压缩机、第一冷凝器、第一蒸发器、第一电子膨胀阀、第四电子膨胀阀和第五电子膨胀阀，所述第一冷凝器的第一入口和第一出口串接于制冷管路，所述第一压缩机的出口与所述第一冷凝器的第二入口连通，所述第一压缩机的入口与所述第一蒸发器的第一出口连通，所述第一电子膨胀阀的出口、所述第四电子膨胀阀的出口以及所述第五电子膨胀阀的出口共接于所述第一蒸发器的第一入口；

高温制冷系统，包括第二压缩机、第二冷凝器、第二蒸发器和第二电子膨胀阀，所述第二冷凝器的第一入口和第一出口串接于所述制冷管路，所述第二冷凝器的第二入口与所述第二压缩机的出口连通，所述第二压缩机的入口与所述第二蒸发器的第一出口连通，所述第二蒸发器的第一入口与所述第二电子膨胀阀的出口连通，所述第二电子膨胀阀的入口与所述第二冷凝器的第二出口连通，所述第一电子膨胀阀的入口和所述第五电子膨胀阀的入口共接于所述第二蒸发器的第二出口，所述第二蒸发器的第二入口与所述第四电子膨胀阀的入口共接于所述第一冷凝器的第二出口；

在任意温度区间内，将制冷量划分为0％-A％和A％-100％两个区间，其中，0％对应第一电子膨胀阀和第四电子膨胀阀的下限值，A％对应第一电子膨胀阀的上限值和第五电子膨胀阀的下限值，100％对应第五电子膨胀阀的上限值和第四电子膨胀阀的上限值；

根据所述制冷量分别对第一电子膨胀阀、第四电子膨胀阀和第五电子膨胀阀的开度进行调节；

循环系统，所述第一蒸发器的第二入口与所述循环系统的出口连通，所述循环系统的入口与所述第一蒸发器的第二出口连通，所述循环系统的出口设置有第二温度传感器，所述循环系统的入口设置有第三温度传感器。

2.根据权利要求1所述的宽温域复叠温控系统，其特征在于，所述循环系统包括水箱、水泵、加热器和流量传感器，所述水箱的入口与所述第一蒸发器的第二出口连通，所述第三温度传感器设置于所述水箱的入口，所述加热器设置于所述水箱内，所述水箱的出口与所述水泵的入口连通，所述水泵的出口与负载设备的入口连通，所述负载设备的出口与所述第一蒸发器的第二入口连通，所述第二温度传感器设置于所述负载设备的出口，所述流量传感器设置于所述负载设备的入口。

3.根据权利要求2所述的宽温域复叠温控系统，其特征在于，所述循环系统还包括：

第三压力传感器，设置于所述负载设备的入口。

4.根据权利要求2或3所述的宽温域复叠温控系统，其特征在于，所述循环系统还包括：

控制阀，所述控制阀的入口与所述水箱连通，所述控制阀的出口与所述负载设备的入口连通。

5.根据权利要求2或3所述的宽温域复叠温控系统，其特征在于，所述负载设备的入口设置有第一温度传感器。

6.根据权利要求2或3所述的宽温域复叠温控系统，其特征在于，所述水箱设置有液位传感器。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的宽温域复叠温控系统，其特征在于，所述低温制冷系统还包括：

第一压力传感器，设置于所述第一压缩机的入口；

第二压力传感器，设置于所述第一压缩机的出口。

8.根据权利要求7所述的宽温域复叠温控系统，其特征在于，所述第二蒸发器的第二出口设置有第四温度传感器。

9.根据权利要求7所述的宽温域复叠温控系统，其特征在于，所述高温制冷系统还包括：

第三电子膨胀阀，所述第三电子膨胀阀的入口与所述第二压缩机的出口连通，所述第三电子膨胀阀的出口与所述第二蒸发器的第一入口连通。

10.一种宽温域复叠温控方法，所述温控方法基于权利要求1至9中任意一项所述的宽温域复叠温控系统；其特征在于，所述温控方法包括以下步骤：

获取第二温度传感器和第三温度传感器采集的温度值；

将所述第二温度传感器采集的温度值与第一目标温度进行比对，得到第一输出控制量，将所述第三温度传感器采集的温度值与第二目标温度进行比对，得到第二输出控制量；将所述第一输出控制量与所述第二输出控制量求和，得到制冷量。