本發(fā)明屬于溫控設備技術領域，特別涉及一種橋式雙向控溫系統(tǒng)。

背景技術：

在半導體產品加工過程中，對加工環(huán)境溫度有著很苛刻的要求。對半導體材料加工過程中，需要維持恒定的環(huán)境溫度。目前常用的控溫方式是采用專用的溫控設備來產生恒溫載冷劑，通過持續(xù)向半導體加工平臺內供應恒溫載冷劑，利用該載冷劑與平臺的熱傳導帶走加工過程中產生的熱量，維持半導體加工平臺的恒溫狀態(tài)。

目前半導體行業(yè)內較常用的控溫設備，采用制冷系統(tǒng)配合加熱器系統(tǒng)的方式進行控溫，該類溫控設備的結構組成及工作原理如圖1所示，由制冷系統(tǒng)配合加熱器系統(tǒng)共同組成一套控溫設備，制冷系統(tǒng)和加熱器系統(tǒng)共同參與控溫過程；制冷系統(tǒng)包括：壓縮機1、壓力控制裝置2、冷凝器3、儲液器4、干燥過濾器5、視液鏡6、2個電子膨脹閥(7、9)、3個電磁閥(8、10、21)、毛細管11、蒸發(fā)器12以及氣液分離器13，該制冷系統(tǒng)采用氟利昂制冷劑；加熱器系統(tǒng)包括循環(huán)泵14、加熱器15、熱負載設備16、緩沖水箱17、2個球閥(18、20)和1個單向閥19；通過蒸發(fā)器12連接制冷系統(tǒng)與加熱器系統(tǒng)，通過冷凝器3的第三端口、第四端口分別與外部的冷卻水管路(a、b)連接；其中，制冷系統(tǒng)中，壓力控制裝置2與壓縮機1相連用于控制和顯示壓縮機1內的壓力值，壓縮機1、冷凝器3、儲液器4、干燥過濾器5、視液鏡6、第一電子膨脹閥7、蒸發(fā)器12和氣液分離器13依次連接形成制冷環(huán)路，在視液鏡6與氣液分離器13入口之間并聯(lián)設有由第一電磁閥8和第二電子膨脹閥9串聯(lián)構成的冷旁通路，在壓縮機1出口與氣液分離器13入口之間并聯(lián)設有由第二電磁閥10和毛細管11串聯(lián)構成的熱旁通路，在壓縮機1出口1b與蒸發(fā)器12的第一端口之間并聯(lián)設有由第三電磁閥21構成的熱氣旁通路(該熱氣旁通路在高溫工況下由程序控制進行不同程度的開啟，使高溫工況下壓縮機排氣壓力不至于過高)；加熱器系統(tǒng)中，加熱器15、熱負載設備16、緩沖水箱17、第一球閥18、單向閥19和循環(huán)泵14依次連接，加熱器15的入口與蒸發(fā)器12的第三端口連接，循環(huán)泵14的出口與蒸發(fā)器12的第四端口連接，在加熱器15的入口15a與緩沖水箱17之間并聯(lián)設有用于控制進入負載設備16循環(huán)液流量的第二球閥20。

該溫控設備的工作原理為：循環(huán)液(即參與循環(huán)的制冷劑液體)進入上述控溫設備后，首先經過蒸發(fā)器12內，制冷系統(tǒng)對循環(huán)液進行降溫，然后流經加熱器15升溫，最終達到目標溫度值后進入負載設備16內。該溫控設備的具體工作過程為：經壓縮機1壓縮后的高溫高壓制冷劑過熱蒸氣大部分進入冷凝器3內與從冷卻水管路a進入冷凝器3內的冷卻水發(fā)生熱交換放熱，成為高壓過冷液體，少部分通過第二電磁閥10和毛細管11后回到氣液分離器13入口，另外一小部分通過第三電磁閥21噴射至蒸發(fā)器12第一端口。由于不同工況下制冷劑的循環(huán)量不同，將多余的制冷劑液體存儲在儲液器4內部，參與循環(huán)的制冷劑液體經過干燥過濾器5去除水分及雜質，通過用于顯示制冷系統(tǒng)含水量的視液鏡6，隨后大部分制冷劑液體經過電子膨脹閥7后進入蒸發(fā)器12，少部分制冷劑液體通過電磁閥8和電子膨脹閥9后回到氣液分離器13入口。由電磁閥10和毛細管11構成的熱氣旁通路與電磁閥8和電子膨脹閥9構成的冷旁通路共同調節(jié)壓縮機1的吸氣溫度。加熱器系統(tǒng)沿管路d向熱負載設備16內通入恒溫載冷劑，使熱負載設備16內半導體加工平臺溫度維持在恒溫狀態(tài)，同時吸收加工過程中產生的熱量，吸收熱量后的載冷劑，沿管路c進入膨脹水箱17，經由第一球閥18和單向閥19后由循環(huán)泵14首先進入制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器12內，制冷系統(tǒng)在蒸發(fā)器12內將循環(huán)液冷卻至低溫，低溫狀態(tài)的循環(huán)液再進入加熱器15內，由加熱器15提供熱量，使循環(huán)液溫度達到要求的恒定溫度值。根據(jù)設備對循環(huán)液流量的不同需求，通過控制第二球閥20的開啟度實現(xiàn)對進入熱負載設備16的流量控制；具體地，當熱負載設備16所需循環(huán)液較少時，增大第二球閥20的開啟度使得多余的循環(huán)液存儲在膨脹水箱17內，當熱負載設備16所需循環(huán)液較多時，減小第二球閥20的開啟度使得更多的循環(huán)液進入熱負載設備16。

該控溫設備內制冷系統(tǒng)的制冷能力大小的調節(jié)可通過plc(programmablelogiccontroller，可編程邏輯控制器)實現(xiàn)，使進入蒸發(fā)器12的循環(huán)液溫度降低到一個合適的溫度點。經過降溫后的循環(huán)液進入加熱器15，plc根據(jù)加熱器15出口溫度和目標溫度值的差異大小來確定加熱器15的輸出功率，最終使循環(huán)液溫度穩(wěn)定在目標溫度值。

目前行業(yè)內溫控設備，采用“制冷系統(tǒng)—加熱器系統(tǒng)”方式，存在的技術缺陷是能量的利用效率低。對于一臺熱負荷為qm的半導體加工設備，不考慮切換溫度時的功率需求的情況下，相匹配的溫控設備正常運行時的輸入功率為qn，qn的計算方式可以簡化為式(1)：

式中，qn為溫控設備輸入功率；q1為制冷系統(tǒng)的制冷量；cop為制冷系統(tǒng)的能效比；q2為加熱器的加熱功率。一般情況下，q1≈1.1×qm，q2≈q1，中溫工況下渦旋壓縮機的cop值約為3，其中，qm為熱負載設備的熱負荷(即半導體加工平臺的熱負荷)；則由式(1)可知，溫控設備的輸入功率qn為：

由此可知，目前采用“制冷系統(tǒng)—加熱器”方式的半導體溫控設備，需要的輸入功率約為熱負載設備負荷的147％，才能實現(xiàn)溫控需求。較低的能效比和過大的輸入功率會消耗更多的電能，同時過大的電流也需要設計更大規(guī)格的電氣設備，同時也增加了成本和維護費用。

現(xiàn)半導體溫控設備輸入功率過大，產生更高的能源消耗和材料成本增加，同時溫控設備系統(tǒng)電流過大，也增加了安全隱患和維護難度，設備散熱效果降低等問題。

技術實現(xiàn)要素：

相較于目前溫控設備功率過大的問題，本發(fā)明提出一種橋式雙向控溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了能夠取代原有制冷系統(tǒng)來實現(xiàn)對循環(huán)液的降溫需求，同時可以部分替代加熱器的加熱功能。該橋式雙向控溫系統(tǒng)通過切換“制冷模式—熱泵模式”兩種控溫方式，分別實現(xiàn)對循環(huán)液的降溫/升溫。

本發(fā)明提出的一種橋式雙向控溫系統(tǒng)，包括：由壓縮機(1)、冷凝器(3)、儲液器(4)、干燥過濾器(5)、視液鏡(6)、第一電子膨脹閥(7)、蒸發(fā)器(12)和氣液分離器(13)依次連接形成的控溫環(huán)路，與壓縮機(1)連接的壓力控制裝置(2)，在視液鏡(6)與氣液分離器入口之間并聯(lián)設有由第一電磁閥(8)和第二電子膨脹閥(9)串聯(lián)構成的冷旁通路，在壓縮機出口與氣液分離器入口之間并聯(lián)設有由第二電磁閥(10)和毛細管(11)串聯(lián)構成的熱旁通路，以及在壓縮機出口(1b)與蒸發(fā)器的第一端口之間并聯(lián)設有由第三電磁閥(21)構成的熱氣旁通路；

其特征在于，該橋式雙向控溫系統(tǒng)還包括由四個單向閥(22、23、24、25)構成的橋式單向閥組以及由四個電磁閥(26、27、28、29)構成的橋式電磁閥組；其中，

所述橋式單向閥組內的第一單向閥(22)入口、第三單向閥(24)出口均與冷凝器第一端口并聯(lián)連接，第一單向閥(22)出口分別與儲液器(4)入口、第二單向閥(23)出口并聯(lián)連接，第二單向閥(23)入口分別與第四單向閥(25)出口、蒸發(fā)器的第一端口并聯(lián)連接，第三單向閥(24)、第四單向閥(25)入口均與第一電子膨脹閥(7)出口并聯(lián)連接；

所述橋式電磁閥組內的第四電磁閥(26)、第六電磁閥(28)的一端均與冷凝器的第二端口并聯(lián)連接，第四電磁閥(26)、第六電磁閥(28)的另一端分別與氣液分離器入口、壓縮機出口并聯(lián)連接，第五電磁閥(27)、第七電磁閥(29)的一端均與蒸發(fā)器的第二端口并聯(lián)連接，第五電磁閥(27)、第七電磁閥(29)的另一端分別與氣液分離器入口、壓縮機出口并聯(lián)連接。

所述第四電磁閥(26)、第六電磁閥(28)的開關狀態(tài)與第五電磁閥(27)、第七電磁閥(29)的開關狀態(tài)相反。

本發(fā)明的特點及有益效果：

1、本發(fā)明提出的橋式雙向控溫系統(tǒng)，可以通過一個氟利昂循環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)對循環(huán)液的升溫/降溫控制，從而在功能上取代制冷系統(tǒng)。利用氟利昂系統(tǒng)為循環(huán)液升溫，可以大大節(jié)約運行時的能耗，起到節(jié)能作用。

2、本發(fā)明在運行過程中需要根據(jù)循環(huán)液的實時溫度變化頻繁切換制冷系統(tǒng)的運行模式，而目前常規(guī)的四通換向閥的壽命不能滿足設備需求，本發(fā)明采用4個電磁閥組成的橋式電磁閥組有效解決該問題。本系統(tǒng)在不同的運行模式下，單向閥組能夠根據(jù)閥前后的壓力差調整冷凝器第二端口、儲液器入口、第一電磁閥出口、蒸發(fā)器第一端口之間的流通情況。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有基于“制冷系統(tǒng)—加熱系統(tǒng)”溫控設備的結構組成及工作原理示意圖。

圖2是本發(fā)明提出的橋式雙向控溫系統(tǒng)的結構組成示意圖，圖中虛線管路表示無介質流通管路，實線管路表示有介質流通管路；所示流向為制冷模式時的流向。

圖3是本發(fā)明提出的橋式雙向控溫系統(tǒng)的結構在熱泵模式運行下的流向示意圖，虛線管路表示無介質流通管路，實線管路表示有介質流通管路。

圖4是由本發(fā)明橋式雙向控溫系統(tǒng)構成的溫控設備的結構組成及制冷模式工作示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種橋式雙向控溫系統(tǒng)，以下結合附圖及實施例詳細說明如下：

本發(fā)明提出的一種橋式雙向控溫系統(tǒng)的結構如圖2所示，是在圖1中制冷系統(tǒng)的基礎上進行的改進，增加了由四個單向閥(22、23、24、25)構成的橋式單向閥組以及由4個電磁閥(26、27、28、29)構成的橋式電磁閥組。本發(fā)明的橋式雙向控溫系統(tǒng)包括：壓縮機1、壓力控制裝置2、冷凝器3、儲液器4、干燥過濾器5、視液鏡6、2個電子膨脹閥(7、9)、3個電磁閥(8、10、21)、毛細管11、蒸發(fā)器12以及氣液分離器13、由4個單向閥(22、23、24、25)構成的橋式單向閥組以及由4個電磁閥(26、27、28、29)構成的橋式電磁閥組；通過冷凝器3的第三端口、第四端口分別與外部的冷卻水管路(a、b)連接其中，壓力控制裝置2與壓縮機1相連用于控制和顯示壓縮機1內的壓力值，壓縮機1、冷凝器3、儲液器4、干燥過濾器5、視液鏡6、第一電子膨脹閥7、蒸發(fā)器12和氣液分離器13依次連接形成制冷環(huán)路，在視液鏡6與氣液分離器13入口之間設有由第一電磁閥8和第二電子膨脹閥9構成的冷旁通路，在壓縮機1出口與氣液分離器13入口之間設有由第二電磁閥10和毛細管11構成的熱旁通路，在壓縮機1出口與蒸發(fā)器12的第一端口之間設有由第三電磁閥21構成的熱氣旁通路；其中，單向閥組內的第一單向閥22的入口、第三單向閥24的出口均與冷凝器3第一端口并聯(lián)連接，第一單向閥22的出口分別與儲液罐4入口、第二單向閥23出口并聯(lián)連接，第二單向閥23入口分別與第四單向閥25出口端、蒸發(fā)器12的第一端口并聯(lián)連接，第三單向閥24、第四單向閥25的入口均與第一電子膨脹閥7的出口并聯(lián)連接；電磁閥組內的第四電磁閥26、第六電磁閥28的一端均與冷凝器3的第二端口并聯(lián)連接，第四電磁閥26、第六電磁閥28的另一端分別與氣液分離器13的入口、壓縮機1的出口并聯(lián)連接，第五電磁閥27、第七電磁閥29的一端均與蒸發(fā)器12的第二端口并聯(lián)連接，第五電磁閥27、第七電磁閥29的另一端分別與氣液分離器13的入口、壓縮機1的出口并聯(lián)連接。

通過同時開啟第五電磁閥27和第六電池閥28、關閉第四電磁閥26和第七電磁閥29，或者同時關閉第五電磁閥27和第六電池閥28、開啟第四電磁閥26和第七電磁閥29，以及單向閥組根據(jù)閥前后的壓力差調整冷凝器3第二端口、儲液器入口、第一電磁閥7出口、蒸發(fā)器第一端口之間的流通情況，以此切換本橋式雙向控溫系統(tǒng)的工作模式。具體地，當循環(huán)液溫度高于設定值時，第五電磁閥27、第六電池閥28打開，第四電磁閥26、第七電磁閥29閉合，同時由于單向閥前后壓差，第一單向閥22和第四單向閥25開啟，第二單向閥23和第三單向閥24關閉，制冷劑由冷凝器3第二端口通過第一單向閥22進入儲液器入口，第一電磁閥7出口通過第四電磁閥25進入蒸發(fā)器第一端口，該橋式雙向控溫系統(tǒng)以制冷模式運行，循環(huán)液流經蒸發(fā)器12時釋放熱量，降溫至設定值；當循環(huán)液溫度低于設定值時，第五電磁閥27、第六電池閥28閉合，第四電磁閥26、第七電磁閥29打開，同時第二單向閥23和第三電磁閥24開啟，第一單向閥22和第四單向閥25關閉，制冷劑由蒸發(fā)器第一端口通過第二單向閥23進入儲液器入口，第一電磁閥7出口通過第三單向閥24進入冷凝器3第二端口，該橋式雙向控溫系統(tǒng)以熱泵模式運行，循環(huán)液通過蒸發(fā)器12時吸收熱量，升溫至設定值。本控溫系統(tǒng)工作模式的切換同樣通過plc實現(xiàn)(可采用常規(guī)的編程技術予以實現(xiàn))。

本發(fā)明所采用的電磁閥組及單向閥組均為常規(guī)的產品。

將本發(fā)明提出的橋式雙向控溫系統(tǒng)應用于溫控設備中，即將本發(fā)明提出的橋式雙向控溫系統(tǒng)替換如圖1所示現(xiàn)有溫控設備中的制冷系統(tǒng)，構成新的溫控設備，采用這種橋式雙向控溫系統(tǒng)的溫控設備可以僅通過快速切換電磁閥組的通斷狀態(tài)，來實現(xiàn)橋式雙向控溫系統(tǒng)“制冷/熱泵”模式的快速切換，從而快速的對循環(huán)液進行降溫/升溫；此外，還可利用橋式雙向控溫系統(tǒng)的熱泵模式來部分取代加熱器系統(tǒng)的作用，以此達到節(jié)能效果。

由本發(fā)明構成的溫控設備的結構及工作原理如圖4(圖4僅示意出了制冷模式的工作原理)所示：

當熱負載設備16中的溫度高于設定溫度時，該溫控設備處于制冷模式，第五電磁閥27、第六電池閥28打開，第四電磁閥26、第七電磁閥29閉合，大部分循環(huán)液依次通過冷凝器3、第一單向閥22、儲液器4、干燥過濾器5、視液鏡6、第一電子膨脹閥7、第四單向閥25、蒸發(fā)器12、第五電磁閥27、氣液分離器13、壓縮機1、第六電池閥28構成的制冷環(huán)路中，經蒸發(fā)器12降溫后的循環(huán)液通過關閉的加熱器15(即制冷模式時，加熱器不工作，僅起到流通作用)后輸入到熱負載設備16中對其實現(xiàn)降溫，該循環(huán)液回到蒸發(fā)器12中，再次流經制冷環(huán)路，不斷重復該過程直至熱負載設備16中的溫度達到設定要求。

當熱負載設備16中的溫度低于設定溫度，且對于在40℃以下的目標溫度值控溫需求條件下，僅通過橋式雙向控溫系統(tǒng)就可以完成對循環(huán)液的升溫控制，無需啟動加熱器參與控溫；此時，第四電磁閥26、第七電磁閥29打開，第五電磁閥27、第六電池閥28閉合，大部分循環(huán)液依次通過蒸發(fā)器12、第二單向閥23、儲液器4、干燥過濾器5、視液鏡6、第一電子膨脹閥7、第三單向閥24、冷凝器3、第四電磁閥26、氣液分離器13、壓縮機1、第七電磁閥29構成的熱泵環(huán)路，經蒸發(fā)器12升溫后的循環(huán)液通過關閉的加熱器15(對于此種工況下，加熱器15仍然不參與工作，僅起到流通作用)后輸入到熱負載設備16中對其實現(xiàn)升溫，該循環(huán)液回到蒸發(fā)器12中，再次流經熱泵環(huán)路，不斷重復該過程直至熱負載設備16中的溫度達到設定要求。對于一臺熱負荷為qm的半導體加工設備，不考慮切換溫度時的功率需求的情況下，相匹配的溫控設備正常運行時的輸入功率為qn，qn可按照式(2)進行計算：

從式(2)結果可以看出，采用橋式雙向制冷系統(tǒng)后，溫控設備在正常運行時的輸入功率相比于圖1所示溫控設備降低了68％，節(jié)能效果顯著，降低輸入電流的同時也減少了設備成本，增加了電氣方面的安全性。

對于目標溫度值在40℃以上的控溫需求，橋式雙向控溫系統(tǒng)不能將循環(huán)液加熱到目標溫度值附近，需要利用加熱器15進一步將溫度加熱到目標溫度值。熱泵模式運行時的壓縮機1排氣溫度一般在40～50℃之間，由于換熱溫差的存在，一方面會導致40℃以上的循環(huán)液在蒸發(fā)器12內不能夠進行升溫；另一方面壓縮機1排出的高溫高壓制冷劑蒸氣不能在蒸發(fā)器12內放熱，會使壓縮機排氣壓力過高，觸發(fā)壓力控制裝置2高壓報警。所以當控溫設備的目標溫度值在40℃以上時，橋式雙向控溫系統(tǒng)只能持續(xù)運行在制冷模式，此時整個控溫設備的工作原理與現(xiàn)有控溫設備的工作原理相同，即依靠由橋式雙向控溫系統(tǒng)在蒸發(fā)器12內冷卻循環(huán)液，再通過加熱器15加熱循環(huán)液，最終實現(xiàn)循環(huán)液的控溫過程。