CN116732616A - 碳化硅长晶炉循环水冷却系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种碳化硅长晶炉循环水冷却系统及其控制方法，涉及冷却系统技术领域。在通常情况下，例如春季、秋季以及冬季下冷却水的常温较低，系统以自来水作为冷源，就能够满足对长晶炉的冷却需求；在环境温度大于或等于预设高温时，例如夏季，系统以空气源热泵输出的冷水作为换热器的冷源，以满足对长晶炉的冷却需求；在停电等极端情况下时，泵组、换热器等设备不能使用，但是长晶炉仍需要持续的冷却，此时，系统直接将自来水通入长晶炉，保证对长晶炉的冷却效果。这样，系统就能够满足长晶炉在一年四季以及某些极端情况下的冷却需求。

Description

碳化硅长晶炉循环水冷却系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及冷却系统技术领域，具体而言，涉及一种碳化硅长晶炉循环水冷却系统及其控制方法。

背景技术

现有长晶炉的冷却形式一般是在长晶炉内铺设冷却水管，冷却水管对长晶炉的冷却效率由水泵的功率决定，水泵功率调大，则冷却效率提高，水泵功率调低，则冷却效率降低。

但是，一年四季天气温度变化较大，冷却水的常温变化较大，例如冬季下冷却水的常温较低，基本满足对长晶炉的冷却需求，但是，夏季冷却水的常温较高，可能就难以满足长晶炉的冷却需求，而且在出现电力中断或水泵损坏等极端情况下，就会出现冷却装置失效的状况。如果长晶炉未达到冷却要求，就可能会出现长晶良率降低、甚至长晶失败。

因此，设计一种长晶炉的冷却系统，能够满足长晶炉在一年四季以及某些极端情况下的冷却需求，这是目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的包括提供了一种碳化硅长晶炉循环水冷却系统及其控制方法，其能够满足长晶炉在一年四季以及某些极端情况下的冷却需求。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种碳化硅长晶炉循环水冷却系统，系统包括软水器、第一水箱、第一泵组、换热器、第一排水阀、第二水箱和第二泵组；在需要自来水作为冷源的情况下，软水器、第一水箱、第一泵组、换热器、第一排水阀通过水管依次连接；软水器用于接入自来水，第一排水阀用于将经过换热器吸热后的自来水排出；第二水箱、第二泵组、换热器和长晶炉通过水管依次首尾连接，形成循环回路，第二泵组用于将第二水箱种的循环水经过换热器降温、并用于冷却长晶炉，最后输入第二水箱中；

系统还包括空气源热泵；在需要空气源热泵的冷水作为冷源的情况下，空气源热泵、第一泵组、换热器通过水管依次首尾连接，形成循环回路；在环境温度大于或等于预设高温时，空气源热泵用于向换热器循环地输送冷水；

系统还包括制冷阀，在停电时需要自来水冷却长晶炉的情况下，软水器、制冷阀、长晶炉和第二水箱通过水管依次连接，打开制冷阀，使经过软水器的自来水对长晶炉进行冷却、并输入第二水箱中。

本发明实施例提供的碳化硅长晶炉循环水冷却系统的有益效果包括：

1.系统可以以自来水作为换热器的冷源，在通常情况下，例如春季、秋季以及冬季下冷却水的常温较低，系统以自来水作为冷源，就能够满足对长晶炉的冷却需求；

2.系统可以以空气源热泵输出的冷水作为换热器的冷源，在环境温度大于或等于预设高温时，例如夏季，系统以空气源热泵输出的冷水作为换热器的冷源，就能够满足对长晶炉的冷却需求；

3.系统可以利用自来水直接对长晶炉进行冷却，在停电等极端情况下时，泵组、换热器等设备不能使用，但是长晶炉仍需要持续的冷却，此时，系统直接将自来水通入长晶炉，保证对长晶炉的冷却效果。

在可选的实施方式中，在环境温度低于5℃的情况下，软水器、空气源热泵、第二水箱、第二泵组、换热器和长晶炉通过水管依次连接，经过软水器的自来水补充到空气源热泵中，空气源热泵用于输出热水对水管以及长晶炉升温。

因为在环境温度低于5℃的情况下，系统中的一些设备或管路存在结冰堵塞的情况，所以系统利用空气源热泵输出热水对水管以及长晶炉升温，以保证后续冷却水能够顺利流通，保证对长晶炉的冷却效果。

在可选的实施方式中，第一泵组和第二泵组均包括两个并联的水泵。

这样，每个泵组中损坏了一个水泵后，泵组仍能利用另一个水泵保证流体正常循环，提高系统的稳定性和延长系统的使用寿命。

在可选的实施方式中，系统还包括第一短路阀，第一短路阀与软水器并联。

这样，在软水器损坏的情况下，直接利用第一短路阀使软水器短路，保证系统能正常顺利通入自来水，保证对长晶炉的冷却效果。

在可选的实施方式中，系统还包括第二短路阀，第二短路阀与第一泵组并联。

这样，在第一泵组中的水泵均损坏或者无需第一泵组运作的情况下，利用第二短路阀使第一泵组短路，保证系统中的流体仍能保持循环，或降低能耗。

在可选的实施方式中，系统还包括第一温度传感器和第一流量控制阀，第一温度传感器安装在换热器与长晶炉之间的水管上，第一流量控制阀安装在换热器和第一泵组所在的水管上；

在需要自来水或空气源热泵的冷水作为冷源的情况下，第一流量控制阀根据第一温度传感器监测的温度，调整经过换热器和第一泵组的流量。

这样，在到达长晶炉的冷却水的温度未达到理想温度的情况下，即可通过第一流量控制阀调整流经换热器的冷水的流量，以使到达长晶炉的冷却水的温度达到理想温度。

在可选的实施方式中，在停电时需要自来水冷却长晶炉的情况下，经过软水器的自来水的流量调至最大。

这样，在停电时，自来水对长晶炉的冷却效果最大化，保证对长晶炉的冷却效果。

第二方面，本发明提供一种碳化硅长晶炉循环水冷却系统的控制方法，方法应用于前述实施方式的碳化硅长晶炉循环水冷却系统，方法包括：

在环境温度大于或等于5℃、且小于预设温度的情况下，控制系统以自来水作为冷源水；

在环境温度大于或等于预设温度的情况下，控制系统以空气源热泵的冷水作为冷源；

在停电的情况下，控制自来水直接冷却长晶炉。

在可选的实施方式中，方法还包括：

在环境温度低于5℃的情况下，控制空气源热泵输出热水对水管以及长晶炉升温。

这样，在环境温度不同的情况下或停电等极端情况下，系统采用不同的形式对长晶炉进行冷却，保证长晶炉在各种情况下仍能接受到所需的冷却效果。

在可选的实施方式中，方法还包括：

水管以及长晶炉升温至要求温度后，控制空气源热泵转为制冷模式，并以空气源热泵的冷水作为冷源。

这样，在长晶炉温度较低、所需冷却效率不高的情况下，系统采用自来水作为换热器的冷源，在随着长晶炉的温度升高、所需的冷却效率也变高的情况下，系统自动切换到以空气源热泵的冷水作为换热器的冷源，以保证长晶炉获得所需的冷却效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明实施例提供的碳化硅长晶炉循环水冷却系统的结构示意图；

图2为系统以自来水作为换热器的冷源的工作状态示意图；

图3为系统以空气源热泵输出的冷水作为换热器的冷源的工作状态示意图；

图4为停电时系统利用自来水直接冷却长晶炉的工作状态示意图；

图5为环境温度过低时系统利用空气源热泵输出的热水预热管路的工作状态示意图。

图标：100-系统；1-软水器；2-第一入水阀；3-第一水箱；4-第一出水阀；5-泵前阀；6-第一泵组；7-换热器；8-第一流量控制阀；9-第一排水阀；10-第二水箱；11-第二泵组；12-入冷却水阀；13-出冷却水阀；14-第二排水阀；15-水泵；16-第一短路阀；17-第二短路阀；18-第一温度传感器；19-空气源热泵；20-热泵出水阀；21-热泵进水阀；22-软水出口阀；23-制冷阀；24-第三排水阀；25-切换阀；26-第二入水阀；27-第二温度传感器；200-长晶炉。

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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

请参考图1和图2，本实施例提供了一种碳化硅长晶炉循环水冷却系统100(以下简称：系统100)。

系统100包括通过水管依次连通的软水器1、第一入水阀2、第一水箱3、第一出水阀4、泵前阀5、第一泵组6、换热器7、第一流量控制阀8和第一排水阀9。其中，软水器1用于接入自来水，并对自来水进行软化。

系统100还包括第二水箱10、第二泵组11、入冷却水阀12、出冷却水阀13和第二排水阀14，其中，第二水箱10、第二泵组11、入冷却水阀12、长晶炉200、出冷却水阀13依次首尾连通，形成循环水回路。本实施例中，可以多个长晶炉200并联，每个长晶炉200的冷却水入口处安装入冷却水阀12、冷却水出口处安装出冷却水阀13，从而实现对多个长晶炉200进行灵活冷却。

请查阅图2，在通常情况下，例如春季、秋季以及冬季下冷却水的常温较低，系统100以自来水作为冷源，就能够满足对长晶炉200的冷却需求。

此时，在换热器7提供冷源的一侧，打开第一入水阀2、第一出水阀4、泵前阀5和第一排水阀9，关闭换热器7提供冷源一侧的其它阀门，使进入软水器1的自来水按照图2中箭头所示的方向流动，实现将自来水作为换热器7的冷源。

在换热器7被冷却的一侧，打开入冷却水阀12和出冷却水阀13，关闭换热器7被冷却一侧的其它阀门，使第二水箱10中的冷却水被换热器7冷却后、进入到长晶炉200中，对长晶炉200实现冷却。

当然，也可以只打开部分长晶炉200的入冷却水阀12和出冷却水阀13，实现对该部分的长晶炉200进行冷却。

其中，第一泵组6和第二泵组11均包括两个并联的水泵15。这样，每个泵组中损坏了一个水泵15后，泵组仍能利用另一个水泵15保证流体正常循环，提高系统100的稳定性和延长系统100的使用寿命。

系统100还包括第一短路阀16，第一短路阀16与软水器1并联。这样，在软水器1损坏的情况下，直接利用第一短路阀16使软水器1短路，保证系统100能正常顺利通入自来水，保证对长晶炉200的冷却效果。

系统100还包括第二短路阀17，第二短路阀17与第一泵组6并联。这样，在第一泵组6中的水泵15均损坏或者无需第一泵组6运作的情况下，利用第二短路阀17使第一泵组6短路，保证系统100中的流体仍能保持循环，或降低能耗。

系统100还包括第一温度传感器18，第一温度传感器18安装在换热器7与长晶炉200之间的水管上，第一流量控制阀8安装在换热器7和第一泵组6所在的水管上；在需要自来水或空气源热泵19的冷水作为冷源的情况下，第一流量控制阀8根据第一温度传感器18监测的温度，调整经过换热器7和第一泵组6的流量。这样，在到达长晶炉200的冷却水的温度未达到理想温度的情况下，即可通过第一流量控制阀8调整流经换热器7的冷水的流量，以使到达长晶炉200的冷却水的温度达到理想温度。

请参考图1和图3，系统100还包括空气源热泵19、热泵出水阀20和热泵进水阀21，其中，空气源热泵19、热泵出水阀20、泵前阀5、第一泵组6、换热器7、第一流量控制阀8、热泵进水阀21通过水管依次首尾连通，形成循环回路。

在环境温度大于或等于预设高温(例如25℃)时，例如夏季，自来水作为换热器7的冷源已经不能满足要求长晶炉200的冷却需求，因此，系统100以空气源热泵19输出的冷水作为换热器7的冷源，就能够满足对长晶炉200的冷却需求。

此时，在换热器7提供冷源的一侧，打开热泵出水阀20、泵前阀5、第一流量控制阀8、热泵进水阀21，关闭换热器7被冷却一侧的其它阀门，使空气源热泵19输出的冷水按照图3中箭头所示的方向流动，实现将空气源热泵19输出的冷水作为换热器7的冷源。

在换热器7被冷却的一侧，阀门的控制方式与图2中相同，打开入冷却水阀12和出冷却水阀13，关闭换热器7被冷却一侧的其它阀门，使第二水箱10中的冷却水被换热器7冷却后、进入到长晶炉200中，对长晶炉200实现冷却。

请参考图1和图4，系统100还包括软水出口阀22、制冷阀23和第二排水阀14，其中，软水器1、出口阀、制冷阀23、入冷却水阀12、长晶炉200、出冷却水阀13、第二水箱10和第二排水阀14通过水管依次连通。

在停电等极端情况下时，泵组、换热器7等设备不能使用，但是长晶炉200仍需要持续的冷却，系统100直接将自来水通入长晶炉200，保证对长晶炉200的冷却效果。

此时，打开出口阀、制冷阀23、入冷却水阀12、出冷却水阀13和第二排水阀14，关闭系统100的其它阀门，使进入软水器1的自来水按照图4中箭头所示的方向流动，使经过软水器1的自来水对长晶炉200进行冷却、并输入第二水箱10中。其中，第二排水阀14用于排出第二水箱10中的冷却水。

在停电时需要自来水冷却长晶炉200的情况下，经过软水器1的自来水的流量调至最大，使自来水对长晶炉200的冷却效果最大化，保证对长晶炉200的冷却效果。

请参考图1和图5，系统100还包括切换阀25和第二入水阀26，其中，软水器1、软水出口阀22、切换阀25、热泵进水阀21、空气源热泵19、第二入水阀26、第二水箱10、第二泵组11、入冷却水阀12、长晶炉200、出冷却水阀13、第二水箱10和第二排水阀14通过水管依次连通。

因为在环境温度低于5℃的情况下，系统100中的一些设备或管路存在结冰堵塞的情况，所以系统100利用空气源热泵19输出热水对水管以及长晶炉200升温，以保证后续冷却水能够顺利流通，保证对长晶炉200的冷却效果。

此时，打开软水出口阀22、切换阀25、热泵进水阀21、第二入水阀26、入冷却水阀12、出冷却水阀13和第二排水阀14，关闭系统100的其它阀门，使进入软水器1的自来水按照图5中箭头所示的方向流动，实现对空气源热泵19补水，空气源热泵19输出的热水进入第二水箱10，第二水箱10中的热水流经长晶炉200后返回到第二水箱10中，实现对水管以及长晶炉200的预热。

其中，系统100还包括第二温度传感器27，第二温度传感器27用于监测第二水箱10中的水温，当第二水箱10中的热水持续增加，使第二水箱10中的温度持续升高时，控制第二入水阀26关小、第二排水阀14开大。同理，在第一水箱3上也连接有第三排水阀24，第三排水阀24用于排出第一水箱3中过量的冷却水。

在预热完成后，例如水管以及长晶炉200升温到20℃后，控制空气源热泵19转为制冷模式，并以空气源热泵19的冷水作为冷源。这样，在长晶炉200温度较低、所需冷却效率不高的情况下，系统100采用自来水作为换热器7的冷源，在随着长晶炉200的温度升高、所需的冷却效率也变高的情况下，系统100自动切换到以空气源热泵19的冷水作为换热器7的冷源，以保证长晶炉200获得所需的冷却效果。

本实施例还提供上述碳化硅长晶炉循环水冷却系统100的控制方法，方法包括以下步骤：

S1：在环境温度大于或等于5℃、且小于预设温度的情况下，控制系统100以自来水作为冷源水，如图2所示的控制结果。

S2：在环境温度大于或等于预设温度的情况下，控制系统100以空气源热泵19的冷水作为冷源，如图3所示的控制结果。

S3：在停电的情况下，控制自来水直接冷却长晶炉200，如图4所示的控制结果。

S4：在环境温度低于5℃的情况下，控制空气源热泵19输出热水对水管以及长晶炉200升温，水管以及长晶炉200升温至要求温度后，控制空气源热泵19转为制冷模式，并以空气源热泵19的冷水作为冷源，如图5所示的控制结果。

值得注意的是，S1～S4并没有严格的先后顺序，而且在对应的情况下，执行对应的步骤。

本发明实施例提供的碳化硅长晶炉循环水冷却系统100及其控制方法的有益效果包括：

1.系统100可以以自来水作为换热器7的冷源，在通常情况下，例如春季、秋季以及冬季下冷却水的常温较低，系统100以自来水作为冷源，就能够满足对长晶炉200的冷却需求；

2.系统100可以以空气源热泵19输出的冷水作为换热器7的冷源，在环境温度大于或等于预设高温时，例如夏季，系统100以空气源热泵19输出的冷水作为换热器7的冷源，就能够满足对长晶炉200的冷却需求；

3.系统100可以利用自来水直接对长晶炉200进行冷却，在停电等极端情况下时，泵组、换热器7等设备不能使用，但是长晶炉200仍需要持续的冷却，此时，系统100直接将自来水通入长晶炉200，保证对长晶炉200的冷却效果；

4.系统100可以利用空气源热泵19输出的热水对水管以及长晶炉200进行预热，在环境温度低于5℃的情况下，系统100中的一些设备或管路存在结冰堵塞的情况，此时，系统100利用空气源热泵19输出热水对水管以及长晶炉200升温，以保证后续冷却水能够顺利流通，保证对长晶炉200的冷却效果。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种碳化硅长晶炉循环水冷却系统，其特征在于，所述系统(100)包括软水器(1)、第一水箱(3)、第一泵组(6)、换热器(7)、第一排水阀(9)、第二水箱(10)和第二泵组(11)；在需要自来水作为冷源的情况下，所述软水器(1)、所述第一水箱(3)、所述第一泵组(6)、所述换热器(7)、所述第一排水阀(9)通过水管依次连接；所述软水器(1)用于接入自来水，所述第一排水阀(9)用于将经过所述换热器(7)吸热后的自来水排出；所述第二水箱(10)、所述第二泵组(11)、所述换热器(7)和长晶炉(200)通过水管依次首尾连接，形成循环回路，所述第二泵组(11)用于将所述第二水箱(10)种的循环水经过所述换热器(7)降温、并用于冷却所述长晶炉(200)，最后输入所述第二水箱(10)中；

所述系统(100)还包括空气源热泵(19)；在需要所述空气源热泵(19)的冷水作为冷源的情况下，所述空气源热泵(19)、所述第一泵组(6)、所述换热器(7)通过水管依次首尾连接，形成循环回路；在环境温度大于或等于预设高温时，所述空气源热泵(19)用于向所述换热器(7)循环地输送冷水；

所述系统(100)还包括制冷阀(23)，在停电时需要自来水冷却所述长晶炉(200)的情况下，所述软水器(1)、所述制冷阀(23)、所述长晶炉(200)和所述第二水箱(10)通过水管依次连接，打开所述制冷阀(23)，使经过所述软水器(1)的自来水对所述长晶炉(200)进行冷却、并输入所述第二水箱(10)中。

2.根据权利要求1所述的碳化硅长晶炉循环水冷却系统，其特征在于，在环境温度低于5℃的情况下，所述软水器(1)、所述空气源热泵(19)、所述第二水箱(10)、所述第二泵组(11)、所述换热器(7)和所述长晶炉(200)通过水管依次连接，经过所述软水器(1)的自来水补充到所述空气源热泵(19)中，所述空气源热泵(19)用于输出热水对水管以及所述长晶炉(200)升温。

3.根据权利要求1所述的碳化硅长晶炉循环水冷却系统，其特征在于，所述第一泵组(6)和所述第二泵组(11)均包括两个并联的水泵(15)。

4.根据权利要求1所述的碳化硅长晶炉循环水冷却系统，其特征在于，所述系统(100)还包括第一短路阀(16)，所述第一短路阀(16)与所述软水器(1)并联。

5.根据权利要求1所述的碳化硅长晶炉循环水冷却系统，其特征在于，所述系统(100)还包括第二短路阀(17)，所述第二短路阀(17)与所述第一泵组(6)并联。

6.根据权利要求1所述的碳化硅长晶炉循环水冷却系统，其特征在于，所述系统(100)还包括第一温度传感器(18)和第一流量控制阀(8)，所述第一温度传感器(18)安装在所述换热器(7)与所述长晶炉(200)之间的水管上，所述第一流量控制阀(8)安装在所述换热器(7)和所述第一泵组(6)所在的水管上；

在需要自来水或所述空气源热泵(19)的冷水作为冷源的情况下，所述第一流量控制阀(8)根据所述第一温度传感器(18)监测的温度，调整经过所述换热器(7)和所述第一泵组(6)的流量。

7.根据权利要求1所述的碳化硅长晶炉循环水冷却系统，其特征在于，在停电时需要自来水冷却所述长晶炉(200)的情况下，经过所述软水器(1)的自来水的流量调至最大。

8.一种碳化硅长晶炉循环水冷却系统的控制方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1所述的碳化硅长晶炉循环水冷却系统，所述方法包括：

在环境温度大于或等于5℃、且小于预设温度的情况下，控制系统(100)以自来水作为冷源；

在环境温度大于或等于预设温度的情况下，控制系统(100)以所述空气源热泵(19)的冷水作为冷源；

在停电的情况下，控制自来水直接冷却所述长晶炉(200)。

9.根据权利要求8所述的碳化硅长晶炉循环水冷却系统的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

在环境温度低于5℃的情况下，控制所述空气源热泵(19)输出热水对水管以及所述长晶炉(200)升温。

10.根据权利要求9所述的碳化硅长晶炉循环水冷却系统的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

水管以及所述长晶炉(200)升温至要求温度后，控制所述空气源热泵(19)转为制冷模式，并以所述空气源热泵(19)的冷水作为冷源。