多温区半导体温控设备及方法与流程

本发明涉及半导体，尤其涉及多温区半导体温控设备及方法。

背景技术：

1、在半导体的生产加工过程中，通常采取专用的温控设备来获取恒温载冷剂的方式，带走加工过程中的热量，维持所需的温度。

2、工艺制程根据制冷系统的不同，大致可分为三个温区：t＞20℃；20℃≥t≥-40℃；-40℃＞t≥-70℃。目前的主要做法如下：

3、采用复叠制冷系统实现全温区制程工艺需求，存在复叠式制冷系统的压缩机长时间运行，能耗大的问题。

4、为解决上述问题，相关技术中还提供另一种方案如下：复叠制冷系统实现-40℃～-70℃制程工艺的需求，复叠制冷系统中的高温级系统增加一路换热器与循环系统组成的第二通道，实现-40℃及以上制程工艺需求；采用单独热交换系统实现20℃以上制程工艺需求。此设计虽然避免了复叠式制冷系统能耗大的问题，但由于其需要额外设置一路换热器与循环系统连通，存在温控设备生产成本高、结构体积大的问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种多温区半导体温控设备及方法，用以解决现有技术中半导体温控设备结构体积大、能耗高的缺陷，实现降低温控设备能耗的同时，减小温控设备的体积。

2、本发明还提出一种应用如上述半导体温控设备的温控方法。

3、根据本发明第一方面实施例的多温区半导体温控设备，包括：

4、复叠式制冷系统，包括第一制冷装置和第二制冷装置，所述第一制冷装置包括第一压缩机、第一换热器和第二换热器；所述第一换热器为双系统换热器，包括第一放热通路、第二放热通路和吸热通路，所述第一压缩机、所述第一换热器的第一放热通路与所述第二换热器的吸热通路依次连通形成第一制冷回路；所述第二制冷装置包括第二压缩机、冷凝器和蒸发器；所述第二压缩机、所述冷凝器的放热通路、所述第二换热器的第一放热通路与所述蒸发器的吸热通路依次连通形成第二制冷回路；

5、循环系统，所述循环系统与所述第一换热器的第二放热通路连通形成第一循环回路；所述循环系统与所述蒸发器的放热通路连通形成第二循环回路。

6、根据本发明实施例的多温区半导体温控设备，当主设备所需温度设定值大于第一温度值时，温控设备的复叠式制冷系统不启动，不产生能耗，循环系统的循环液沿第一循环回路流经第一换热器的第二放热通路时与第一换热器的吸热通路中的厂务水进行热交换并降温，降温后的循环液流沿循环回路继续流至主设备，降低主设备温度，循环直至主设备到达温度设定值。

7、当主设备所需温度设定值大于或等于第二温度值且小于或等于第一温度值时，此时使用第一循环回路与厂务水热交换的方式无法满足降温需求，进而启动复叠式制冷系统，复叠式制冷系统的第一制冷设备的高温的第一制冷剂经第一压缩机压缩后，进入第一换热器的第一放热通路中冷凝后流至第二换热器的吸热通路，在吸热通路中与第二换热器的第一放热通路中的第二制冷装置的第二制冷剂热交换后，流回至第一压缩机，此为第一制冷剂在第一制冷回路中的流动过程。第二制冷设备中的高温的第二制冷剂经第二压缩机压缩后在冷凝器的放热通路中冷凝后流至第二换热器的第一放热通路中与第二换热器的吸热通路中的第一制冷剂进行热交换，降温后的第二制冷剂流至蒸发器的吸热通路中与蒸发器的放热通路中的循环液热交换后流回至第二压缩机，此为第二制冷剂在第二制冷回路中的流动过程。

8、通过复叠式制冷系统降温的第二制冷剂温度远低于厂务水，可以与循环水热交换以将主设备的温度降低至在第二温度值至第一温度值之间的范围。

9、根据本发明实施例的多温区半导体温控设备，通过设置与厂务水换热的第一循环回路以及与复叠式制冷系统换热的第二循环回路，并根据用户的温度设定值选择使用厂务水冷却或是复叠式制冷系统冷却，在满足多温区温控的同时，选择性的关闭复叠式制冷系统，进而有效降低了温控设备的能耗；并且，将第一换热器设置为双系统换热器，将厂务水与复叠式制冷系统的换热器和厂务水与第一循环回路的换热器结合，有效降低温控设备整体的体积。

10、根据本发明的一个实施例，所述第二换热器为双系统换热器，所述第二换热器的第二放热通路与所述循环系统连通形成第三循环回路。

11、根据本发明的一个实施例，所述循环系统包括第一转换器、第二转换器和循环组件，所述第一转换器和所述第二转换器适于在第一位置与第二位置之间切换；

12、在所述第一位置时，所述循环组件、所述第一转换器、所述第一换热器的第二放热通路、所述第二转接器与主设备依次连通形成所述第一循环回路；

13、在所述第二位置，所述循环组件、所述第一转换器、所述蒸发器的放热通路、所述第二转接器与主设备依次连通形成所述第二循环回路。

14、根据本发明的一个实施例，所述第一转换器和所述第二转换器还包括第三位置，在所述第三位置，所述循环组件、所述第一转换器、所述第二换热器的第二放热通路、所述第二转接器与主设备依次连通形成所述第三循环回路。

15、根据本发明的一个实施例，所述复叠式制冷系统还包括两器合一装置；

16、所述两器合一装置包括第一两器合一装置，所述第一两器合一装置设于所述第一制冷装置，所述第一压缩机、所述第一换热器的第一放热通路、所述第一两器合一装置的放热通路、所述第二换热器的吸热通路与所述第一两器合一装置的吸热通路依次连通形成所述第一制冷回路，

17、和/或，

18、所述两器合一装置包括第二两器合一装置，所述第二两器合一装置设于所述第二制冷装置，所述第二压缩机、所述冷凝器的放热通路、所述第二换热器的第一放热通路、所述第二两器合一装置的放热通路、所述蒸发器的吸热通路与所述第二两器合一装置的吸热通路依次连通形成所述第二制冷回路。

19、根据本发明的一个实施例，所述复叠式制冷系统还包括单向阀；

20、所述单向阀包括第一单向阀，所述第一单向阀设于所述第一换热器的第一放热通路的进口，

21、和/或，

22、所述单向阀包括第二单向阀，所述第二单向阀设于所述第二换热器的第一放热通道的进口；

23、所述第二制冷装置还包括卸载阀和第二排气压力传感器，所述卸载阀一端连通所述冷凝器的放热通路的出口，另一端连通所述第二压缩机的进口，形成第五旁通支路；所述第二排气压力传感器设于所述第二压缩机的出口；

24、基于所述第二排气压力传感器检测的实际压力值与第三设定压力区间的比较结果，控制所述卸载阀的开闭。

25、根据本发明的一个实施例，所述第一制冷装置还包括第一调节阀和第一排气压力传感器，所述第一调节阀设于所述第一换热器的吸热通路的进口，所述第一排气压力传感器设于所述第一换热器的第一放热通路的出口；

26、基于所述第一排气压力传感器检测的实际压力值与第一设定压力区间的比较结果，控制所述第一调节阀的开闭；所述第二制冷装置还包括第二调节阀和第二排气压力传感器，所述第二调节阀设于所述冷凝器的吸热通路的进口；

27、基于所述第二制冷回路的实际压力值与第二设定压力区间的比较结果，控制所述第二调节阀的开闭；

28、所述复叠式制冷系统还包括膨胀阀；

29、所述膨胀阀包括第一膨胀阀，所述第一膨胀阀与所述第一压缩机并联，形成第一旁通支路，

30、和/或，

31、所述膨胀阀包括第二膨胀阀，所述第二膨胀阀一端连通所述冷凝器的放热通路的出口，另一端连通所述第二压缩机的进口，形成第二旁通支路。

32、根据本发明的一个实施例，所述复叠式制冷系统还包括排气温度传感器；

33、所述膨胀阀包括第三膨胀阀，所述第三膨胀阀并联于所述第二换热器的吸热通路，形成第三旁通支路；所述排气温度传感器包括第一排气温度传感器，所述第一排气温度传感器设于所述第一压缩机的出口；基于所述第一排气温度传感器检测的实际温度值与第一设定温度值的比较结果，控制所述第三膨胀阀的开度，

34、和/或，

35、所述膨胀阀包括第四膨胀阀，所述第四膨胀阀并联于所述蒸发器的吸热通路，形成第四旁通支路；所述排气温度传感器包括第二排气温度传感器，所述第二排气温度传感器设于所述第二压缩机的出口；基于所述第二排气温度传感器检测的实际温度值与第二设定温度值的比较结果，控制所述第四膨胀阀的开度。

36、根据本发明第二方面实施例的应用如上所述的多温区半导体温控设备的温控方法，包括：

37、选择主设备所需温度设定值；

38、确定所述温度设定值大于第一温度值：

39、切换第一转换器和第二转换器为第一位置，循环系统连接至第一循环回路；

40、循环系统运行，直至所述主设备到达温度设定值；

41、确定所述温度设定值大于或等于第二温度值，所述温度设定值小于或等于所述第一温度值，其中，所述第一温度值大于所述第二温度值：

42、启动复叠式制冷系统；

43、切换所述第一转换器和所述第二转换器为第二位置，所述循环系统连接至第二循环回路；

44、所述循环系统运行，直至所述主设备到达所述温度设定值。

45、根据本发明的一个实施例，所述温控方法还包括：

46、确定所述温度设定值大于或等于第三温度值且小于或等于所述第一温度值，其中，所述第三温度值大于所述第二温度值且小于所述第一温度值；

47、启动所述复叠式制冷系统的第一制冷装置，关闭第二制冷装置；

48、切换所述第一转换器和所述第二转换器为第三位置，所述循环系统连接至第三循环回路；

49、所述循环系统运行，直至所述主设备到达所述温度设定值。

50、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。