CN201152945Y - 一种宽温区、高精度温控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种宽温区、高精度温控装置，其包含：压缩机制冷单元、三通阀混流循环单元、高精度温度采集单元和PID控制单元。本实用新型提供的宽温区、高精度温控装置，其控温范围宽；可在节能条件下实现高精度温度控制；减小系统滞后性，提高系统响应速度；同时可解决高温工况压缩机吸气温度过高的问题。

Description

一种宽温区、高精度温控装置

技术领域

本实用新型涉及一种应用于半导体刻蚀设备刻蚀腔体的温控装置。

背景技术

中国专利“ZL20051036350.3快速控制静电卡盘温度系统”公开了一种通过研制冷却机(CHILLER)来控制静电卡盘温度的系统。所述的静电卡盘在半导体生产工艺中用来固定和支撑晶片，典型的静电卡盘具有冷却液体的通道，通过冷却机控制流过其中冷却液体的温度，从而控制静电卡盘的温度。这一专利技术控制静电卡盘的温度范围在40℃～70℃之间，满足当时刻蚀工艺过程中卡盘所需温度为50℃～80℃的要求，同时温度滞后时间缩短为5～10秒，控温速度达到每分钟2℃～5℃；但是，目前静电卡盘在工艺过程中的温度要求已经扩大为-20℃～80℃，且控温速度的要求也更高，故此项专利技术已不能完全适应目前的工艺需求。

中国申请中的专利“200610020071.3高温工况制冷空调器”设计了一种高温工况下的制冷压缩机空调系统，其特点是，从膨胀阀进口管路中引出一旁通管，这个旁通管接入压缩机回气管路，在旁通管中装有电磁阀和节流装置，通过检测回气温度控制电磁阀的开启，达到控制流经蒸发器工质流量的目的。本专利申请在高温工况下，通过旁通阀减少板换工质流量，避免了回气温度过高的隐患。但是，却没有从根本上解决吸气温度降低时可能出现的液击现象，而且制冷端的设计相对太过复杂。

中国专利“ZL 0356253.X高精度冷水机”比起普通冷水机组而言，在管路中增加了一套由两个三通阀、一个电磁阀和电磁阀控制装置组成的可调节不制冷循环回路，通过温度传感器反馈温度信号给电磁阀控制装置，以产生不同占空比的脉冲信号控制电磁阀开启和关闭的时间，实现高精度温度控制。本专利控制方案简单，控制精度相对较高，并具有一定的节能功效。但是使用单闭环回路控制，控制精度不可能很高，同时由于增加了两个三通阀和一个电磁阀，系统组成相对复杂，通过制冷液的流量控制间接控制水温，系统滞后性大，响应速度不快。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种宽温区、高精度温控装置，其控温范围宽；可在节能条件下实现高精度温度控制；减小系统滞后性，提高系统响应速度；同时可解决高温工况压缩机吸气温度过高的问题。

为达上述目的，本实用新型提供一种宽温区、高精度温控装置，其包含：压缩机制冷单元、三通阀混流循环单元、高精度温度采集单元和PID(比例-积分-微分)控制单元；

所述的压缩机制冷单元包含压缩机；

所述的三通阀混流循环单元包含三通阀，其是一可对模拟量控制混比的连续调节器；

所述的高精度温度采集单元包含若干高精度温度传感器，分别连接PID控制单元；

所述的PID控制单元内设置有PLC(可编程逻辑控制)系统和PID扩展模块，该PID控制单元内还嵌入高精度温度控制算法，控制三通阀的开度分配比例调节。控制三通阀的开度分配比例调节。

所述的压缩机采用先进数码蜗旋压缩机。

所述的压缩机制冷单元还包含电子膨胀阀和气液分离装置；该气液分离装置设置在压缩机吸气口的前端。

所述的一高精度温度传感器设置在压缩机的吸气口前端，其监控压缩机吸气口的温度漂移。

所述的三通阀带有步进驱动单元；该PID控制单元发出控制信号，步进驱动单元接收控制信号，旋转驱动完成三通阀开合角位移量，实现对三通阀的开度控制。

本实用新型提供的宽温区、高精度温控装置，应用于半导体刻蚀设备刻蚀腔体的温度控制，其控温范围宽，可实现-20℃～80℃大范围工况切换连续温度调节，在压缩机制冷领域属于高精度温度控制产品，既满足不同工况下制冷量需求，同时巧妙解决了高温工况压缩机吸气温度过高问题；另外，本实用新型由于结合了PID控制方法和数码涡旋技术，不仅实现了节能条件下的高精度温度控制，控温精度达到±0.1℃，而且减小了系统的滞后性，提高系统响应速度。

附图说明

图1是本实用新型提供的宽温区、高精度温控装置的工作原理图。

具体实施方式

以下结合图1，详细说明本实用新型的较佳实施方式：

如图1所示，本实用新型提供的宽温区、高精度温控装置，其包含：压缩机制冷单元、三通阀混流循环单元、高精度温度采集单元和PID控制单元6；

所述的压缩机制冷单元包含压缩机1、电子膨胀阀10和气液分离装置8；该压缩机1采用先进数码蜗旋压缩机；该气液分离装置8设置在压缩机1的吸气口的前端；

所述的三通阀混流循环单元包含三通阀5，其是一可对模拟量控制混比的连续调节器；自身带有步进驱动单元，该PID控制单元6发出控制信号(如4～20mA电流)，步进驱动单元接收控制信号，旋转驱动完成三通阀5开合角位移量，实现对三通阀的开度控制。

所述的高精度温度采集单元包含若干高精度温度传感器，分别连接PID控制单元6；所述的一高精度温度传感器9设置在压缩机1的吸气口前端，其监控压缩机1的吸气口温度漂移；

所述的PID控制单元6内设置有PLC系统和PID扩展模块，该PID控制单元6内还嵌入高精度温度控制算法，控制三通阀的开度分配比例调节。

本实用新型的工作原理如下所述：

在高温工况下，通过温度传感器9检测压缩机1的吸气口温度，并将检测到的温度信号传送至PID控制单元6，PID控制单元6控制三通阀5的开度分配比例，从而调节经过蒸发器的换热载冷剂的流量，由此可以避免压缩机1的吸气温度过高。

同时由于在压缩机1的吸气口前端放置有气液分离装置8，从根本上避免压缩机1的液击现象，因为当压缩机1的吸气温度不超过边界阀值时，整个制冷系统就能安全运行，所以此时流量调节阀2不需要连续动作，只是充当了安全阀的作用。

根据上述所述，本发明涉及的温控装置，其温度控制范围很宽，可以实现-20℃～80℃的大温区温度调节；其次，压缩机1在工作时实际给出的制冷量是随工况变化的，高温工况下制冷量可能是低温工况下的好几倍，所以必须根据实际负荷，兼顾高低温工况，保证压缩机1的制冷量的输出能力；另外一方面，在保证制冷量的同时，还解决了高温工况下压缩机1的吸气温度过高的危害。

进一步，本实用新型中的PID控制单元6采用PID控制算法，结合数码涡旋压缩机的控制技术，实现在最大节能状态下达到高精度控制；本发明中采用的压缩机1是美国谷轮数码涡旋压缩机，当整个制冷系统从一个工况切换到另一个工况，直至稳定，需要经过三个阶段，分别称之为S1、S2、S3阶段，下面以从20℃切换到50℃为例，叙述控温方法：

S1阶段的主要任务是以最快速度将系统温度从20℃逼近50℃，并稳定在50℃，所以此时加热器4全开，因考虑到压缩机1的制冷可能会比较滞后，故压缩机1的加载和卸载占空比处于递减的斜坡状态，递减的起始值是温度为20℃时的占空比。在一个理想时间段之后，三通阀5将开始递减的斜坡状态，起始值为三通阀当前值，目标值为50℃时的三通阀5的开度；当温度进入48℃时，控制单元6切换为PID控制，此时三通阀5静止在50℃工况下的默认开度。控制单元6在S1状态下对加热之前的温度点进行控制，并将其控制在47℃～48℃范围内，超出范围将自动增加或减少加载比例。实验数据表明，加热前温度低于控制温度2℃～3℃度左右，加热器4将输出50％左右的功率，此时的制冷系统已经对50℃恒温完毕，并进入S2状态。

S2阶段的主要任务是高精度输出条件下的节能实现，通过S1阶段后，系统的制冷量同加热量达到理想平衡状态，此时的加热功率维持在50％左右，压缩机1的加载时间占周期比例较大，加热量包括负载产生的热功率，水泵3等发热元件产生的热功率以及加热器4的自身热功率，这其中加热器4的功率约占总热功率的35％；显然，同时降低制冷功率和加热功率，使系统在一个新的平衡状态下达到平衡，就能使系统在平衡负载的前提下达到最佳节能状态。进入S2阶段后，压缩机1的加载时间比例将受到加热百分比的控制，适当的降低压缩机1的加载比例可以降低冷量的输出。同时PID控制单元6会降低加热功率来平衡冷量。当检测到加热量的输出为250W的时候，一般可以认为系统现在处于理想的节能状态，可进入S3阶段。

S3阶段的主要任务是消除工艺过程中负载的波动而出现的尖峰，某既定的工艺过程，负载的功耗是相对稳定的，但也不排除可能出现的尖峰，此时要求系统能够迅速做出响应，消除尖峰。通过S2阶段后，压缩机1已经处于理想的节能状态，出现尖峰后最好不要改变压缩机1的频率或加热器4的功率，所以本实用新型充分考虑了三通阀5在S1阶段仅有50％的开度，可调节余量还相当大，故此时，我们通过调节三通阀5来节能控温。

根据上述，本实用新型可实现±0.1℃的高精度温度控制，且温控的滞后时间缩短为2～5秒，控温速度达到每分钟7℃以上。

Claims (5)

1.一种宽温区、高精度温控装置，其特征在于，包含压缩机制冷单元、三通阀混流循环单元、高精度温度采集单元和PID控制单元；

所述的压缩机制冷单元包含压缩机；

所述的三通阀混流循环单元包含三通阀，其是一可对模拟量控制混比的连续调节器；

所述的高精度温度采集单元包含若干高精度温度传感器，分别连接PID控制单元；

所述的PID控制单元内设置有可编程逻辑控制系统和PID扩展模块；该PID控制单元内还嵌入高精度温度控制算法，控制三通阀的开度分配比例调节。

2.如权利要求1所述的宽温区、高精度温控装置，其特征在于，所述的压缩机采用先进数码蜗旋压缩机。

3.如权利要求1所述的宽温区、高精度温控装置，其特征在于，所述的压缩机制冷单元还包含电子膨胀阀和气液分离装置；该气液分离装置设置在压缩机吸气口的前端。

4.如权利要求1所述的宽温区、高精度温控装置，其特征在于，所述的一高精度温度传感器设置在压缩机的吸气口前端，监控压缩机吸气口的温度漂移。

5.如权利要求1所述的宽温区、高精度温控装置，其特征在于，所述的三通阀带有步进驱动单元，其接收PID控制单元发出的控制信号，旋转驱动三通阀开合角位移，对三通阀的开度进行控制。