TWI423363B - 製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法 - Google Patents

Description

製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法

　　本發明係有關於一種製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法，尤其是指一種針對高科技業的高冷卻用電比例與製程溫度特性，於電能源與恆溫控制測試，以能了解製程冷凍機之性能與系統特性，分析冷卻的高溫、高熱製程流體，以能改良製程冷卻機系統，將有效削減電能的消耗壓縮功損失，節電空間可觀，不僅檢測單位產品用電，同時監測製程冷卻機性能效率，而在其整體施行使用上更增實用功效特性的製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法創新設計者。

　　按，伴隨自然資源極限化與限碳時代的到來，歐美等先進國家採取的因應策略愈見積極；而許多績優國際企業亦亟思清潔生產與減量技術轉移跨國合作的可能性，以行動來達到抒緩日益升高的地區性供電壓力與減少溫室氣體排放減量的承諾與願景。在國內，近年來則面臨電能源的開發日益困難，而頻仍的增設電廠亦曝露出部分區域電能源不足的事實；復加以製造業為主的工業重大產業投資案陸續啟動，同時環保部門也已將電能源及二氧化碳排放列為審查重點項目。因此在可見的未來，能源利用的效率提升等議題，誠屬企業當務之急。我國於時空因素分佈不均，天然資源短缺；復加近年全球氣候異常變化，導致資源短缺、能源危機有逐漸升高之趨勢。然而國內伴隨石油煉製、石化原料基礎工業區等重大開發案的提出，工業用電的需求未艾方興、與日俱增。面對天然資源之開發不易，如何積極有效地節約、促進高效用電以因應，是個嚴肅的課題。

　　其中，高科技產業向來是屬於用電密集行業，在經過長期持續進行之製程、操作條件等多方面改善及用電減量、尖峰週期管理利用技術評估之投入，產品單位耗電與產值單位用電量呈逐年下修之勢；然，一部分電能資源的耗用仍集中在製程反應的熱量移除。以國內半導體及機械加工用之冷卻機〔chiller〕為標的舉例，全台灣運轉中的製程冷卻機〔含冷卻器〕超過5萬台，每年消耗電量超過15億度，造成能源雙重損耗，電能的浪費殊為可觀。製程冷卻技術在品質方面足以符合產業需求，不過由於近年來原油價格上漲，能源成本大幅提高，將會迫使半導體、光電等系統設備廠商，研發更高效率之製程設備〔包括製程冷凍設備〕，以節省能源成本提升工業生產競爭力。

　　尤其，台灣在半導體代工產業中具有領導的地位，囊括了全球半數以上的晶圓代工，半導體製造材料昂貴，任何製程中的疏失都將造成無可彌補的巨大損失。使得製造設備的可靠度及精密度要求則成為必要條件，因此，維持半導體製造之恆溫設備極為重要。

　　然而，綜觀市面上之各式製程雖可達到製程冷卻、維持製程恆溫之預期功效，但也在其實際操作施行使用上發現，該類製程冷凍機設備中並無一套標準的測試規範與平台，使得各家廠商間無ㄧ標準值可以判定其性能優劣。

　　緣是，發明人有鑑於此，秉持多年該相關行業之豐富設計開發及實際製作經驗，針對現有之結構再予以研究改良，因而發明出一種製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法，以期達到更佳實用價值性之目的者。

　　本發明之製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法，其第一目的主要係藉由管路銜接裝置連結製程冷卻機測試平台及其測試方法，經由管路銜接進入流量檢測裝置，該流量檢測裝置以電磁力驅動使量測元件產生諧振頻率，使流體流過流量檢測裝置時，產生作用下使量測元件的頻率產生變化，再藉由差壓裝置檢測管路銜接裝置的距離產生之摩擦損失，且亦可透過一出入口流量調整閥調整閥門之開度，模擬測試實務應用的不同管路距離之摩擦損失條件，最後經換算諧振頻率、管路差壓值、流體的密度與溫度，可透過此變化量測得流體的流量，因此在檢測流體流量時，可忽略管路的摩擦損失與不同溫度下的密度變化。

　　本發明之製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法，其第二目的主要係在製程冷卻機中的板式蒸發器與板式冷凝器，可連結製程冷卻測試機平台，檢測板式蒸發器的能力，亦可藉由出入口流量調整閥的控制，檢測板式冷凝器的能力，因此，該製程冷卻測試機平台可檢測板式冷凝器與板式蒸發器的能量。

　　本發明之製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法，其第三目的主要係在流體進入流量檢測裝置時因管路中會有少許的氣泡，造成檢測的不穩定與精確度損失，亦會造成氣泡空蝕管路與低溫流體泵浦，因此可以透過膨脹水箱將系統中的空氣排除之目的以利管路中的空氣得以自由排至大氣中；雖然膨脹水箱可達到排氣的功能，但也造成系統的管路壓損過高，因此當排氣的程序完成後，立即關閉膨脹水箱，改由旁通管路運行，經此程序後不但可排除空氣亦不會增加管路的壓降損失。

　　本發明之製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法，其第四目的主要係在檢測過程中，產生冷熱流體的混合現象，故導致溫度分布不均的問題，因此裝設攪拌裝置，則透過攪拌裝置均勻混合流體，亦避免溫度分布不均所造成檢測誤差的效果，並檢測迴轉軸的扭矩與轉速，以求得攪拌時所輸出的熱量。

　　本發明之製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法，其第五目的主要係在提供設定調節裝置控制蒸發器熱量加熱裝置，針對熱量無明顯變化的狀態，該裝置可設定不同的流體溫度，而且使板式蒸發器能量與蒸發器熱量加熱裝置達到平衡，藉由蒸發器熱量加熱裝置所消耗地功率，可量得板式蒸發器產生的能力。

　　本發明之製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法，其第六目的主要係在提供自動PID演算裝置控制蒸發器熱量加熱裝置，針對熱量隨時間劇烈變化的狀態，該裝置可設定不同的流體溫度，亦可設定連續性的熱量變化，且具有溫度回授裝置，則板式蒸發器能量隨著熱量變動可快速達到熱平衡，而蒸發器熱量加熱裝置所消耗地功率，無法直接經由儀器檢測，因此透過測試平台系統檢測二次冷媒〔secondary coolant〕之比熱、流量與進出口溫度，經換算變化量得蒸發器能量，故可透過上述的方法達到檢測變動特性的板式蒸發器能量。

　　本發明之製程冷卻機之性能測試平台及其測試方法，其第七目的主要係在提供電力保護裝置，該電力保護裝置透過流量感測裝置與溫度回授裝置進行電源供應裝置的控制，該控制可防止異物阻塞或低溫流體泵浦故障，所導致流體的流量異常動作，可經由流量感測方法，亦可透過溫度的回授方法，達到電源供應裝置開啟、關閉控制的功能，防止蒸發器熱量加熱裝置產生空燒的危險，因此藉由流量與溫度的回授控制，達到製程冷卻測試機平台的保護功效。

　　為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：

　　首先，請參閱第一圖本發明之結構方塊示意圖所示，本發明主要係包含一測試平台系統（１）、一二次冷媒熱量控制系統（２）、一製程冷卻機（３）以及一管路銜接裝置（４）；其中：

　　該測試平台系統（１），請一併參閱第二圖本發明之測試平台系統線路圖所示，其包含一膨脹水箱（１１）、一混合裝置（１２）、一流量檢測裝置（１３）、一出口溫度感測裝置（１４）、一差壓裝置（１５）、出入口流量調整閥（１６）與一入口溫度感測裝置（１７）；令該製程冷卻機（３）產生的冷却水經出入口流量調整閥（１６）流入測試平台系統（１），以能調整至適當的流量進入測試平台系統（１），且由入口溫度感測裝置（１７）監測製程冷卻機（３）之冷却水的入水溫度後，進入該二次冷媒熱量控制系統（２），以達到熱量平衡的需求，透過該膨脹水箱（１１）將管內的空氣排至大氣，並經混合裝置（１２），以防止冷却水的溫度分佈不均的問題，再經流量檢測裝置（１３）及出口溫度感測裝置（１４）檢測冷却水流量與溫度，最後由差壓裝置（１５）來量測管路間的壓降損失，由另一出入口流量調整閥（１６）再回到製程冷却機（３）完成一測試循環。

　　該二次冷媒熱量控制系統（２），請一併參閱第三圖本發明之二次冷媒熱量控制系統線路圖所示，其包含一蒸發器熱量加熱裝置（２１）、一熱量控制裝置（２２）、一電力保護裝置（２３）、一溫度回授感測裝置（２４），該熱量控制裝置（２２）包含一自動PID演算裝置（２２１）與一設定調節裝置（２２２），該電力保護裝置（２３）是由一流量感測裝置（２３１）與一電源供應裝置（２３２）所構成的；使得製程冷卻機（３）之冷却水流入流經該溫度回授感測裝置（２４）及電力保護裝置（２３），再經由蒸發器熱量加熱裝置（２１）給予熱量平衡，但是冷却水流量過少時，會導致蒸發器熱量加熱裝置（２１）過熱的危險，因此透過電力保護裝置（２３）內的流量感測裝置（２３１）來感測流量，若感測到流量過小的時候，會驅使該電源供應裝置（２３２）斷路，令該蒸發器熱量加熱裝置（２１）關閉，而達到保護的功能。再者，可透過該熱量控制裝置（２２）來控制蒸發器熱量加熱裝置（２１）的熱量，而熱量控制裝置（２２）可選用自動PID演算裝置（２２１）或設定調節裝置（２２２），令溫度回授感測裝置（２４）迴授至自動PID演算裝置（２２１），使得其可隨著冷却水溫度的變化，來自動調節蒸發器熱量加熱裝置（２１）的熱量，或者可以透過該設定調節裝置（２２２），以手動方式調節所需蒸發器熱量加熱裝置（２１）的熱量，進而達到手動與自動的方式調節蒸發器熱量加熱裝置（２１）之目的。

　　該製程冷卻機（３），請一併參閱第四圖本發明之製程冷卻機線路圖所示，其包含一高溫流體循環系統（３１）、一製冷系統（３２）與一低溫流體循環系統（３３），且再透過管路銜接裝置（４）連接測試平台系統（１）進行冷却水量測；該高溫流體循環系統（３１）包含一高溫流體泵浦（３１１）及一高溫液體儲存裝置（３１２），使得經製冷系統（３２）熱交換後的流體，透過高溫流體泵浦（３１１）循環，在流經一高溫液體儲存裝置（３１２），最後連接管路銜接裝置（４）至測試平台系統（１）或恆溫水槽；該製冷系統（３２）是由一壓縮機（３２１）、一板式冷凝器（３２２）、一膨脹閥（３２３）及一板式蒸發器（３２４）所建構成的，而該壓縮機（３２１）係將氣態冷媒增壓，送入板式冷凝器（３２２）再予高溫流體循環系統（３１）熱交換，冷凝後的液態冷媒透過膨脹閥（３２３）降壓，再經板式蒸發器（３２４）進行熱交換，板式蒸發器（３２４）之冷媒冷能傳遞給低溫流體循環系統（３３）降溫，最後再回到壓縮機（３２１）完成一循環過程；該低溫流體循環系統（３３）包含一低溫流體泵浦（３３１）及一低溫液體儲存裝置（３３２）；而經製冷系統（３２）之板式蒸發器（３２４）熱交換後的流體，透過該低溫流體泵浦（３３１）循環，在流經該低溫液體儲存裝置（３３２），最後連接管路銜接裝置（４）至測試平台系統（１）或恆溫水槽。若欲測試該製冷系統（３２）之板式蒸發器（３２４），必須將低溫流體循環系統（３３）與測試平台系統（１）連接，再把高溫流體循環系統（３１）連接至恆溫水槽，反之，若要測試板式冷凝器（３２２），則必須將低溫流體循環系統（３３）連接至恆溫水槽，而把高溫流體循環系統（３１）連接至測試平台系統（１）。

　　而當欲測試製程冷卻機（３）的出入口溫度值與流量值時，請一併參閱第五圖本發明之測試流程圖所示，其係為：

Ｓ５０１：令製程冷卻機（３）銜接至製程冷却測試機台；

Ｓ５０２：判斷流量是否足夠；

Ｓ５０３：若系統流量不足時，即會停止蒸發器熱量加熱裝置（２１）之供電進行保護，並再回到Ｓ５０１步驟，直到流量供應正常為止；

Ｓ５０４：而當流量供應充足後，即會判斷是否為浮動的蒸發器熱量；

Ｓ５０５：若系統為固定的蒸發器熱量條件時，則進行設定溫度值之調節；

Ｓ５０６：且啟動手動設定調節裝置；

Ｓ５０７：並判斷是否維持蒸發器熱量平衡，如果未維持蒸發器熱量平衡則必須返回Ｓ５０６步驟；

Ｓ５０８：而若維持蒸發器熱量平衡則可輸出消耗的功率值，以得知該製程冷卻機（３）的能力；

Ｓ５０９：而若系統為浮動的蒸發器熱量條件時，則必須透過出口溫度感測裝置（１４）感測製程冷卻機（３）之出口溫度；

Ｓ５１０：且設定製程冷卻機（３）之入口溫度；

Ｓ５１１：再調節製程冷卻機（３）出口溫差的時間變化；

Ｓ５１２：進入自動力演算蒸發器熱量加熱裝置；

Ｓ５１３：感測冷却機入口溫度是否達到設定值，若未達設定溫度必須返回Ｓ５１２步驟；

Ｓ５１４：待冷却機入口溫度到達設定溫度，即計算蒸發器能量，以可取得該製程冷卻機（３）的能力。

　　然而前述之實施例或圖式並非限定本發明之產品結構或使用方式，任何所屬技術領域中具有通常知識者之適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之專利範疇。

　　藉由以上所述，本發明之元件組成與使用實施說明可知，本發明與現有結構相較之下，本發明確具有下列優點：

1.本發明為了讓製程冷卻機達到真正測試之需要，使得其設計易活動、可拆卸之方式，此設計將測試平台系統可快速、方便的移動以連接製程冷卻機，以解決因測試的不便利性與機動性。

2.本發明測試平台系統採用自動PID演算裝置或手動調節裝置，可精準調節蒸發器熱量加熱裝置且可隨著不同負載條件任意變更負載調節裝置，即可測試變動負載與固定負載的冷卻機性能狀態。

3.本發明可經由膨脹水箱來排除系統管路中的氣體，再由混合裝置來解決溫度分佈不均的問題，因此可更精準取得出入溫度與流量值。

4.本發明為了解決因測試製程冷卻機銜接的管路過長之問題，在測試平台系統中加裝差壓裝置，來修正管路的壓力損失；或系統因異物阻塞所造成的流量不足的問題，也可透過壓差裝置結合電力保護裝置，而控制蒸發器熱量加熱裝置的開啟或關閉，可預防蒸發器熱量加熱裝置空燒的危險。

5.本發明可經由管路銜接裝置快速更換高溫流體循環系統或低溫流體循環系統，進而取得製程冷却機的板式冷凝器與板式蒸發器的能力。

6.本發明自動PID演算裝置可自動控制蒸發器熱量加熱裝置的大小，且透過溫度回授感測裝置來精準調節蒸發器熱量加熱裝置，由其可針對變動負載的狀態下，可快速調節加熱量。

　　綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體構造，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

（１）‧‧‧測試平台系統
（１１）‧‧‧膨脹水箱
（１２）‧‧‧混合裝置
（１３）‧‧‧流量檢測裝置
（１４）‧‧‧出口溫度感測裝置
（１５）‧‧‧差壓裝置
（１６）‧‧‧出入口流量調整閥

（１７）‧‧‧入口溫度感測裝置
（２）‧‧‧二次冷媒熱量控制系統
（２１）‧‧‧蒸發器熱量加熱裝置
（２２）‧‧‧熱量控制裝置
（２２１）‧‧‧自動PID演算裝置
（２２２）‧‧‧設定調節裝置
（２３）‧‧‧電力保護裝置
（２３１）‧‧‧流量感測裝置
（２３２）‧‧‧電源供應裝置
（２４）‧‧‧溫度回授感測裝置
（３）‧‧‧製程冷卻機
（３１）‧‧‧高溫流體循環系統
（３１１）‧‧‧高溫流體泵浦
（３１２）‧‧‧高溫液體儲存裝置
（３２）‧‧‧製冷系統
（３２１）‧‧‧壓縮機
（３２２）‧‧‧板式冷凝器
（３２３）‧‧‧膨脹閥
（３２４）‧‧‧板式蒸發器
（３３）‧‧‧低溫流體循環系統
（３３１）‧‧‧低溫流體泵浦
（３３２）‧‧‧低溫液體儲存裝置
（４）‧‧‧管路銜接裝置

第一圖：本發明之結構方塊示意圖

第二圖：本發明之測試平台系統線路圖

第三圖：本發明之二次冷媒熱量控制系統線路圖

第四圖：本發明之製程冷卻機線路圖

第五圖：本發明之測試流程圖

(1)‧‧‧測試平台系統

(11)‧‧‧膨脹水箱

(12)‧‧‧混合裝置

(13)‧‧‧流量檢測裝置

(14)‧‧‧出口溫度感測裝置

(15)‧‧‧差壓裝置

(16)‧‧‧出入口流量調整閥

(17)‧‧‧入口溫度感測裝置

(2)‧‧‧二次冷媒熱量控制系統

(21)‧‧‧蒸發器熱量加熱裝置

(22)‧‧‧熱量控制裝置

(23)‧‧‧電力保護裝置

(24)‧‧‧溫度回授感測裝置

(3)‧‧‧製程冷卻機

(31)‧‧‧高溫流體循環系統

(32)‧‧‧製冷系統

(33)‧‧‧低溫流體循環系統

(4)‧‧‧管路銜接裝置

Claims (6)

1. 一種製程冷卻機之性能測試平台，其主要係令製程冷卻機連接至測試平台系統，該測試平台系統包含一膨脹水箱、一混合裝置、一流量檢測裝置、一出口溫度感測裝置、一差壓裝置、出入口流量調整閥與一入口溫度感測裝置；令該製程冷卻機產生的冷却水經出入口流量調整閥流入測試平台系統，以能調整至適當的流量進入測試平台系統，且由入口溫度感測裝置監測製程冷卻機之冷却水的入水溫度，透過該膨脹水箱將管內的空氣排至大氣，並經混合裝置，以防止冷却水的溫度分佈不均的問題，再經流量檢測裝置及出口溫度感測裝置檢測冷却水流量與溫度，最後由差壓裝置來量測管路間的壓降損失，由另一出入口流量調整閥再回到製程冷却機完成一測試循環。
2. 如申請專利範圍第1項所述之製程冷卻機之性能測試平台，其中，該製程冷卻機包含一高溫流體循環系統、一製冷系統與一低溫流體循環系統，且透過管路銜接裝置連接測試平台系統進行冷却水量測；該高溫流體循環系統包含一高溫流體泵浦及一高溫液體儲存裝置，使得經製冷系統熱交換後的流體，透過高溫流體泵浦循環，在流經一高溫液體儲存裝置，最後連接管路銜接裝置至測試平台系統；該製冷系統是由一壓縮機、一板式冷凝器、一膨脹閥及一板式蒸發器所建構成的，而該壓縮機係將氣態冷媒增壓，送入板式冷凝器再予高溫流體循環系統熱交換，冷凝後的液態冷媒透過膨脹閥降壓，再經板式蒸發器進行熱交換，板式蒸發器之冷媒冷能傳遞給低溫流體循環系統降溫，最後再回到壓縮機完成一循環過程；該低溫流體循環系統包含一低溫流體泵浦及一低溫液體儲存裝置；而經製冷系統之板式蒸發器熱交換後的流體，透過該低溫流體泵浦循環，在流經該低溫液體儲存裝置，最後連接管路銜接裝置至測試平台系統。
3. 如申請專利範圍第1項所述之製程冷卻機之性能測試平台，其中，該測試平台系統由入口溫度感測裝置監測製程冷卻機之冷却水的入水溫度後，能進入二次冷媒熱量控制系統，以達到熱量平衡的需求；該二次冷媒熱量控制系統包含一蒸發器熱量加熱裝置、一電力保護裝置、一溫度回授感測裝置，該電力保護裝置是由一流量感測裝置與一電源供應裝置所構成的；使得製程冷卻機之冷却水流入流經該溫度回授感測裝置及電力保護裝置，再經由蒸發器熱量加熱裝置給予熱量平衡，且透過電力保護裝置內的流量感測裝置來感測流量，若感測到流量過小的時候，會驅使該電源供應裝置斷路，令該蒸發器熱量加熱裝置關閉。
4. 如申請專利範圍第3項所述之製程冷卻機之性能測試平台，其中，該二次冷媒熱量控制系統設有熱量控制裝置，以利用熱量控制裝置來控制蒸發器熱量加熱裝置的熱量，而熱量控制裝置可利用自動PID演算裝置，令溫度回授感測裝置迴授至自動PID演算裝置，使得其可隨著冷却水溫度的變化，來自動調節蒸發器熱量加熱裝置的熱量。
5. 如申請專利範圍第3項所述之製程冷卻機之性能測試平台，其中，該二次冷媒熱量控制系統設有熱量控制裝置，以利用熱量控制裝置來控制蒸發器熱量加熱裝置的熱量，而熱量控制裝置可利用設定調節裝置，透過該設定調節裝置，以手動方式調節所需蒸發器熱量加熱裝置的熱量。
6. 一種製程冷卻機之性能測試平台測試方法，其係為：
   Ｓ５０１：令製程冷卻機銜接至製程冷却測試機台；
   Ｓ５０２：判斷流量是否足夠；
   Ｓ５０３：若系統流量不足時，即會停止蒸發器熱量加熱裝置之供電進行保護，並再回到Ｓ５０１步驟，直到流量供應正常為止；
   Ｓ５０４：而當流量供應充足後，即會判斷是否為浮動的蒸發器熱量；
   Ｓ５０５：若系統為固定的蒸發器熱量條件時，則進行設定溫度值之調節；
   Ｓ５０６：且啟動手動設定調節裝置；
   Ｓ５０７：並判斷是否維持蒸發器熱量平衡，如果未維持蒸發器熱量平衡則必須返回Ｓ５０６步驟；
   Ｓ５０８：而若維持蒸發器熱量平衡則可輸出消耗的功率值，以得知該製程冷卻機的能力；
   Ｓ５０９：而若系統為浮動的蒸發器熱量條件時，則必須透過出口溫度感測裝置感測製程冷卻機之出口溫度；
   Ｓ５１０：且設定製程冷卻機之入口溫度；
   Ｓ５１１：再調節製程冷卻機出口溫差的時間變化；
   Ｓ５１２：進入自動力演算蒸發器熱量加熱裝置；
   Ｓ５１３：感測冷却機入口溫度是否達到設定值，若未達設定溫度必須返回Ｓ５１２步驟；
   Ｓ５１４：待冷却機入口溫度到達設定溫度，即計算蒸發器能量，以可取得該製程冷卻機的能力。