广温域恒温冷冻系统及其控制方法 【技术领域】
本发明是有关一种广温域恒温冷冻系统及其控制方法，尤指一种可提供半导体、生化材料、食品加工、原材料等工业制程所需低温或中温或高温的不同温度的恒温工作流体的冷冻系统及控制该冷冻系统的方法。
【发明背景】
一般制程所需的冷冻设备，通常采用冷媒压缩式冷冻机，搭配电热装置自动补偿，达到加热或冷却的双重功能，并使制程用的工作流体，例如：冷却剂、不冻液、卤水或制程用液态混合物，维持准确的设定温度。
公知恒温冷冻系统2如图8所示，包含：具有输入管路27及输出管路28的槽体20；串联于所述输出管路28的帮浦26；置于所述槽体20内，提供冷源的板式热交换器21；置于所述槽体20内，提供热源的加热器22；串接于所述热交换器21，由冷凝器23、膨胀阀24及压缩机25所构成提供冷媒回路的冷冻机。所述输入管路27是提供工作流体输入至槽体20内部之用，所述输出管路28则输出制程所需准确设定温度的工作流体。
公知恒温冷冻系统2因采用一组冷源进行冷却功能及一组热源进行温度回授补偿加热，由于提供冷源的板式热交换器21与提供热源的加热器22是置放在同一槽体20内，这种方式对于小负载类型的制程或恒温控制，还不致于出现压缩机25运转异常的现象。然而，对于长时间热负载较大的应用，冷源与热源共构于同一槽体内的架构，容易造成高温模式压缩机启动异常的现象。
再者，由于冷冻系统通常针对某一低温范围(例如-40℃～0℃)而设计，对于室温以上以致于高温的应用(例如60℃～100℃)，若以低温的冷冻系统来维持高温冷却功能，则因温度差过大，不仅浪费电能，对压缩机地使用寿命也有相当大的伤害，特别是对二十四小时全天候运转的制程设备，更会造成制程能源过度浪费。举例比如，图8所示的公知冷冻系统2其冷媒蒸发温度约-40℃～0℃，但是在高温的操作环境，将使得冷媒回到压缩机25的温度过热，此过热温度甚至于高达70℃～100℃，致使冷媒吸入管路内部达到高压状态，造成压缩机25的冷媒吸入功能衰减，甚至无法顺利吸回到压缩机25腔体，导致冷冻系统2失去平衡而危害到整体冷冻系统，造成生产进度的落后，影响甚大。
【发明内容】
本发明的主要目的在提供一种广温域恒温冷冻系统，是应用一般半导体、生化材料、食品加工、原材料等制程设备都会配置的厂务水(facility water)及其冷却设备，例如冰水主机、冷却水塔等，配合管路与若干电磁阀，依据不同温度需求控制不同的电磁阀ON或OFF，以提供工业制程所需低温(-40℃～25℃)或中温(25℃～50℃)或高温(50℃～100℃)的准确设定温度的工作流体(working fluid)，以节省能源及维持系统的正常运作。
一种广温域恒温冷冻系统，其中包括冷冻机、低温热交换器、中温热交换器、高温热交换器、帮浦、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、温度感测器、功率调节器及控制器，所述冷冻机、低温热交换器、中温热交换器、高温热交换器、帮浦、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀是经由管路连结而具有一输入端及一输出端，工作流体是经由所述输入端输入并经所述帮浦驱动而由所述输出端输出，所述功率调节器对高温热交换器进行负载调节，所述温度感测器用于设定工作流体的输出温度，所述控制器控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的开闭而控制流体流经不同的热交换器，以对工作流体进行加热或冷却，使输出的工作流体温度趋于所设定的温度而达到恒温控制。
所述的广温域恒温冷冻系统，所述中温热交换器及高温热交换器是共置于一槽体中且该槽体是设于输入端，所述槽体、帮浦及输出端的管路上串联着第一电磁阀，所述第二电磁阀串联于中温热交换器的管路上，所述第三电磁阀串联于低温热交换器管路上且并联于所述第一电磁阀。
所述的广温域恒温冷冻系统，所述高温热交换器与帮浦设于输出端，且其管路上串联所述第一电磁阀，所述第二电磁阀串联于中温热交换器管路上且并联于所述第一电磁阀及所述第三电磁阀串联于低温热交换器管路上且并联于所述第一电磁阀。
所述的广温域恒温冷冻系统，所述高温热交换器与帮浦设于输入端，且其管路上串联所述第一电磁阀，所述第二电磁阀串联于中温热交换器管路上且并联于所述第一电磁阀及所述第三电磁阀串联于低温热交换器管路上且并联于所述第一电磁阀。
所述的广温域恒温冷冻系统，所述工作流体为冷却剂、不冻液、卤水或制程用液态混合物。
所述的广温域恒温冷冻系统，其中所述中温热交换器供以厂务水。
所述的广温域恒温冷冻系统，其中所述高温热交换器为加热器。
本发明的另一目的在提供一种广温域恒温冷冻系统的控制方法，藉由设定冷冻系统的工作流体温度并比较工作流体实际输入温度、实际输出温度及设定温度的温差，切换第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀的开闭而控制流体流经不同的热交换器，以对工作流体进行加热或冷却，使输出的工作流体温度趋于所设定的温度，来获得低温(-40℃～25℃)或中温(25℃～50℃)或高温(50℃～100℃)的准确设定温度的工作流体。
一种广温域恒温冷冻系统的控制方法，其中包含下列步骤：
a.设定冷冻系统所需的工作流体温度；
b.启动帮浦输入工作流体至所述冷冻系统，及输入厂务水至所述冷冻系统；
c.以温度感测器比较工作流体输入温度、输出温度及设定温度的温差；
d.将所述温差讯号送到控制器以控制流经低温、中温及高温的不同热交换器的第一、第二、第三电磁阀的开闭；及
e.依所述第一、第二、第三电磁阀的开闭，对工作流体进行加热或冷却，使输出的工作流体温度趋于所设定可供制程使用的温度。
所述的广温域恒温冷冻系统的控制方法，其中低温应用使用冷冻机提供25℃以下的冷源，使制程得以在低温环境下带走制程产生的热量，以节省能源。
所述的广温域恒温冷冻系统的控制方法，其中中温应用使用温度高于25℃的厂务水作为冷源，可降低25℃以上温控所消耗的电量，以节约能源。
所述的广温域恒温冷冻系统的控制方法，其中高温应用使用高温热交换器，该高温热交换器于冷冻系统开机后常设为ON状态，并由功率调节器参考所述温度感测器的温差讯号进行微调，以达到准确的恒温控制。
所述的广温域恒温冷冻系统，其中所述工作流体温度需求为中温或高温时，冷冻系统的冷冻机以间歇性开启/停机模式控制运转，以确保冷冻系统得以长期在较广的温度条件下，能够顺利的运作。
本发明考虑到大部份的制程设备环境都提供厂务水及其冷却设备，例如冰水主机、冷却水塔等设备，其在室温运转的效率都远大于蒸发温度在-40℃的冷冻机，因此对-40℃～+100℃的广温域制程应用中，本发明的控制方法能有效达到恒温控制与能源效率提升的目的，使日益短缺的能源得以有效节约使用，另外又可使冷冻机在最佳的操作条件下运转，提升使用年限。本发明所称的低温(-40℃～25℃)、中温(25℃～50℃)及高温(50℃～100℃)并不须明确定义，而是依使用者需求而选定冷媒及冷冻机。
本发明的所述目的或特征，将依据附图加以详细说明，所附附图及举例，只是做为说明而非在限制或缩限本创作。
【附图说明】
图1是本发明控制方法所控制的第一具体实施例的广温域恒温冷冻系统的配置图；
图2是本发明控制方法所控制的第二具体实施例的广温域恒温冷冻系统的配置图；
图3是本发明控制方法所控制的第三具体实施例的广温域恒温冷冻系统的配置图；
图4是本发明控制方法的冷却模式流程图，此冷却模式是应用于图1所示的第一具体实施例；
图5是本发明控制方法的另一冷却模式流程图，此冷却模式是应用于图2所示的第二具体实施例及图3所示的第三具体实施例；
图6是本发明控制方法的加热模式流程图；
图7是本发明控制方法的流程图；
图8是公知技术的冷冻系统配置图。
主要元件符号对照说明
10 广温域恒温冷冻系统
R 冷冻机
LHX 低温热交换器
MHX 中温热交换器
HHX 高温热交换器
P 帮浦
SV1 第一电磁阀
SV2 第二电磁阀
SV3 第三电磁阀
TS1 温度感测器
T1 出口温度
T2 入口温度
FW 厂务水
SSR 功率调节器
C 控制器
【具体实施方式】
本发明的广温域恒温冷冻系统10的第一具体实施例请参看图1，该冷冻系统10包含：冷冻机R、低温热交换器LHX、中温热交换器MHX、高温热交换器HHX、帮浦P、第一电磁阀SV1、第二电磁阀SV2、第三电磁阀SV3、温度感测器TS1、功率调节器SSR及控制器C。
所述中温热交换器MHX及高温热交换器HHX是共置于一槽体11中且该槽体11是设于输入端IN，所述槽体11、帮浦P及输出端OUT的管路上是串联着第一电磁阀SV1，所述第二电磁阀SV2是串联于中温热交换器MHX的管路上，及所述第三电磁阀SV3是串联于低温热交换器LHX管路上且并联于所述第一电磁阀SV1。所述冷冻机R是串联着低温热交换器LHX。
所述功率调节器SSR分别以电路连结至所述高温热交换器HHX、交流电源及所述控制器C。可设定温度的温度感测器TS1是内设于控制器C中，该控制器C是分别以电路连结至所述第一电磁阀SV1、第二电磁阀SV2及所述第三电磁阀SV3，且温度感测器TS1是连结着输入端IN及输出端OUT，用以侦测输入端IN的温度T2及输出端OUT的温度T1。图中有关电气连结线路是以虚线表示。
所述功率调节器SSR是对高温热交换器HHX进行负载调节，所述温度感测器TS1是用于设定工作流体的输出温度，及所述控制器C是控制第一电磁阀SV1、第二电磁阀SV2、第三电磁阀SV3的开闭而控制流体流经不同的热交换器，以对工作流体进行加热或冷却。
工作流体例如：冷却剂、不冻液、卤水或制程用液态混合物，经由所述输入端IN输入至槽体11中并经所述帮浦P驱动而由第一电磁阀SV1由所述输出端OUT输出，及由第三电磁阀SV3及低温热交换器LHX由所述输出端OUT输出。
冷冻机R是提供低温热交换器LHX25℃以下的冷源；厂务水FW例如为高于室温25℃的冰水，则流经串联的第二热交换器SV2及中温热交换器MHX，提供中温冷源；高温热交换器HHX于冷冻系统10开机后常设为ON状态，并由功率调节器SSR参考所述温度感测器TS1的温差讯号进行微调，以提供温度补偿。
以下配合图1及图7详述第一具体实施例的广温域恒温冷冻系统10的控制方法。
首先设定冷冻系统10所需的工作流体温度；接着启动帮浦P输入工作流体至所述冷冻系统10，及输入厂务水FW至所述冷冻系统10；接着读取温度感测器TS1的设定温度(因设定温度是由温度感测器TS1所设定，故设定温度亦以TS1表示的)、工作流体实际输入温度T2与工作流体实际输出温度T1，并比较三者温度的高低；接着依所述设定温度TS1、工作流体实际输入温度T2与工作流体实际输出温度T1温度高低的比较，对工作流体进行加热或冷却。
更详细而言，如所述比较设定温度TS1、工作流体实际输入温度T2与工作流体实际输出温度T1三者温度高低时，若T1大于TS1大于T2，则进行冷却模式，此时仍继续判读输出温度T1与设定温度TS1的差异是否小于误差值ε(假设为±0.1℃)，若仍大于误差值ε，则继续进行冷却模式；若小于误差值ε，则改进行加热模式，藉使工作流体的输出温度T1趋于设定温度TS1而维持在误差值的恒温状态，请参看图7。有关比较T1、TS1、T2三者温度高低的其他控制模式，不另赘述。
上述冷却模式及加热模式，将参照图4及图6做如下的进一步说明，并请配合图1。
如图4所示，对输入的工作流体进行冷却时，首先检查设定温度TS1，当冷冻系统10为低温应用，则由控制器C控制第一电磁阀SV1为OFF、第二电磁阀SV2为OFF、第三电磁阀SV3为ON及高温热交换器HHX为ON，工作流体自输入端IN流入槽体11中，再循管路经第三电磁阀SV3流经低温热交换器LHX，最后由输出端OUT流出；当冷冻系统10为中温或高温应用时，则由控制器C控制第一电磁阀SV1为ON、第二电磁阀SV2为OFF、第三电磁阀SV3为OFF及高温热交换器HHX为ON，工作流体自输入端IN流入槽体11中，再循管路经第一电磁阀SV1，最后由输出端OUT流出。
如图6所示，对输入的工作流体进行加热时，无论冷冻系统10为低温、中温或高温的应用，是由控制器C控制第一电磁阀SV1为ON、第二电磁阀SV2为OFF、第三电磁阀SV3为OFF及高温热交换器HHX为ON，工作流体自输入端IN流入槽体11中，接受高温热交换器HHX的加热，再循管路经第一电磁阀SV1，最后由输出端OUT流出。
本发明的广温域恒温冷冻系统10的第二具体实施例请参看图2，主要包含：冷冻机R、低温热交换器LHX、中温热交换器MHX、高温热交换器HHX、帮浦P、第一电磁阀SV1、第二电磁阀SV2及第三电磁阀SV3。图2中的功率调节器、温度感测器及控制器皆省略，是因其电路连结方式皆相同于图1。
图2中，高温热交换器HHX与帮浦P是设于输出端，且其管路上串联所述第一电磁阀SV1，所述第二电磁阀是串联于中温热交换器MHX管路上且并联于所述第一电磁阀SV1，及所述第三电磁阀SV3是串联于低温热交换器LHX管路上且并联于所述第一电磁阀SV1。
有关图2所示的第二具体实施例的广温域恒温冷冻系统10，其控制方法亦如图7所示，相关的控制方法，请参看第一具体实施例的相关说明，不另赘述。惟第二具体实施例的冷却模式及加热模式将配合图5及图6进一步说明如下，并请配合图2。
如图5所示，对输入的工作流体进行冷却时，首先检查设定温度TS1，当冷冻系统10为低温应用，则由控制器C控制第一电磁阀SV1为OFF、第二电磁阀SV2为OFF、第三电磁阀SV3为ON及高温热交换器HHX为ON，工作流体自输入端IN流入，再循管路经第三电磁阀SV3流经低温热交换器LHX及流经高温热交换器HHX，最后由输出端OUT流出；当冷冻系统10为中温或高温应用时，则由控制器C控制第一电磁阀SV1为OFF、第二电磁阀SV2为ON、第三电磁阀SV3为OFF及高温热交换器HHX为ON，工作流体自输入端IN流入，再循管路经第二电磁阀SV2流经中温热交换器MHX及流经高温热交换器HHX，最后由输出端OUT流出。
如图6所示，对输入的工作流体进行加热时，无论冷冻系统10为低温、中温或高温的应用，是由控制器C控制第一电磁阀SV1为ON、第二电磁阀SV2为OFF、第三电磁阀SV3为OFF及高温热交换器HHX为ON，工作流体自输入端IN流入，循管路经第一电磁阀SV1再流经高温热交换器HHX，最后由输出端OUT流出。
本发明的广温域恒温冷冻系统10的第三具体实施例请参看图3，其帮浦P及高温热交换器HHX是设于工作流体输入端IN而不相同于第二具体实施例的外，其余皆相同于第二具体实施例。
有关第三具体实施例的广温域恒温冷冻系统10的控制方法亦相同于第一具体实施例，不再赘述。惟第三具体实施例的冷却模式及加热模式将配合图5及图6进一步说明如下，并请配合图3。
如图5所示，对输入的工作流体进行冷却时，首先检查设定温度TS1，当冷冻系统10为低温应用，则由控制器C控制第一电磁阀SV1为OFF、第二电磁阀SV2为OFF、第三电磁阀SV3为ON及高温热交换器HHX为ON，工作流体自输入端IN流入，循管路经高温热交换器HHX及流经第三电磁阀SV3再流经低温热交换器LHX，最后由输出端OUT流出；当冷冻系统10为中温或高温应用时，则由控制器C控制第一电磁阀SV1为OFF、第二电磁阀SV2为ON、第三电磁阀SV3为OFF及高温热交换器HHX为ON，工作流体自输入端IN流入，循管路经高温热交换器HHX及流经第二电磁阀SV2再经中温热交换器MHX，最后由输出端OUT流出。
如图6所示，对输入的工作流体进行加热时，无论冷冻系统10为低温、中温或高温的应用，是由控制器C控制第一电磁阀SV1为ON、第二电磁阀SV2为OFF、第三电磁阀SV3为OFF及高温热交换器HHX为ON，工作流体自输入端IN流入，循管路经高温热交换器HHX再流经第一电磁阀SV1，最后由输出端OUT流出。
所述各实施例中高温热交换器HHX是为加热器，于冷冻系统10开机后常时为ON状态，并由功率调节器依温度变化自动调节。
所述各实施例中的工作流体温度需求为中温或高温时，冷冻系统10的冷冻机R是以间歇性开启/停机模式控制运转，以确保冷冻系统10得以长期在较广的温度条件下，能够顺利的运作。