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冷水機溫控技術

工業冷水機通常會在封閉迴路中,讓恆溫流體於液冷儀器與工具之間循環,以提高製程的重複性與再現性。

循環式冷卻水機如何維持恆定溫度

冷水機的基本組件包括用來循環流體的幫浦、用來儲存一定量低溫流體的儲槽、用來冷卻流體的冷凍系統,以及溫度控制模組。(請參閱圖 1。)
Eaton chillers basic components
標準現成的溫度控制器即可作為溫控模組。市面上有許多製造商提供各種不同選項的控制器。這些控制器都配有溫度顯示功能,採用面板安裝,並可接收來自電阻式溫度偵測器(RTD)或熱電偶的溫度輸入訊號。此外,也提供多種通訊選項。許多控制器都有一項實用功能,就是比例-積分-微分(PID)自動調校功能。此功能可讓控制器自行計算面對系統擾動時的最佳響應方式。擾動可能來自製程負載變化、設定值變更與雜訊。完成自動調校後,使用者可能仍需進一步調整調校參數,以確保製程流體溫度維持在製程控制範圍內。但這不一定代表冷水機與工具之間的調校工作已經完成。使用者必須瞭解,自動調校功能只會針對當下評估的單一工作點進行溫度控制器調校。
製程動態通常會受到只在特定時間或特定條件下出現的情況影響。如果能以某種方式偵測或預測這些特殊條件,就需要採用適應式(前饋)控制方式,以補充一般控制架構中所使用的反應式(回饋)控制。對具有這類進階需求的應用而言,冷水機通常更適合採用可程式邏輯控制器(PLC)與操作員介面終端(OIT)。(請參閱圖 2。)
Eaton cooling system controller

使用 PLC 可提供更高的彈性,以滿足要求更高的控制環境需求。它可將與製程溫度無直接關係的量測項目,例如壓力、流量與環溫等,或幫浦過載、安全停機等關鍵事件,無縫整合至適應式控制架構中。PLC 也能提供資料收集與通訊功能。透過各種通訊選項,即可輕鬆連接至主機系統。

除了非專屬的序列與乙太網路連線之外,也可使用多種現場匯流排連線,例如 Profibus、DeviceNet、Lonworks 等。如此可讓使用者更妥善地整合冷水機與工具設備。雖然溫控對許多工業製程而言都是關鍵功能,但部分製程同樣非常重視溫度穩定度。通常穩定度越高,成本也越高。

Eaton temperature sensor reservoir
許多應用要求在指定熱負載下,溫度相對於設定值維持在 ±0.5 °C 的穩定範圍內。想要達到這種穩定度,可量測儲槽中的溫度,並控制冷凍系統中的開關閥反覆啟閉。(請參閱圖 3。) 溫度控制模組中的基本 PID 演算法,會依需要控制開關閥啟閉。儲槽提供一定容量的恆溫流體,有助於降低因工具熱負載變化所造成的小幅溫度變化影響。

儲槽除了有助於維持供應至工具的流體溫度恆定,也會緩和從工具回流流體所出現的大幅溫度尖峰。這些變化是由熱負載變化所造成。例如,運作中的雷射可能會持續 5 分鐘為流體增加 300 W 的熱負載。接著,雷射功率可能提高至 500 W 並維持 5 分鐘,再降回 300 W 並維持另外 5 分鐘。這個循環可能會不斷重複。當熱負載增加 67% 時,回流至冷水機的流體溫度會突然改變。由於儲槽內的流體溫度變化速度較慢,因此溫度控制模組對這些變化的反應也會較慢。

對於動態製程,可透過量測流體離開冷凍系統後、進入儲槽前的溫度,進一步提升溫度穩定度。(請參閱圖 4。) 溫度控制模組會偵測到流體溫度的尖峰變化,並做出相應反應。只要改變量測位置,就能讓供應至工具的流體溫度穩定度提高一倍。(請參閱圖 5。)

Eaton temperature sensor
Eaton chillers stability

請務必注意,如果冷水機使用開關閥(例如冷凍系統電磁閥)來達到 ±0.5 °C 的穩定度,若進一步提高穩定度要求,閥門就會更頻繁地啟閉,進而縮短其使用壽命。使用現成溫度控制器的自動調校功能時,就可能發生這種問題。因此,冷水機只需提供足以讓製程維持受控狀態的穩定度即可。

另一個與冷水機溫度控制相關的常見問題,是冷水機與工具之間受到環溫影響而產生的溫度損失。這通常發生在製程流體溫度遠高於或低於室溫,而且冷水機與工具之間距離較遠、管路較長的情況。有時冷水機甚至與工具位於不同樓層。例如,流體離開冷水機時的溫度為 15 °C,但受到室內空氣加熱影響,抵達工具時可能已升高至 20 °C。然而,製程要求供應至工具的流體必須恆定維持在 15 °C,而不是 20 °C。針對這種情況,可在溫度控制模組中設定 5 °C 的偏移值。冷水機的設定溫度輸入為 15 °C,但實際上會控制在 10 °C。如此一來,製程可取得所需的 15 °C 流體,而冷水機的顯示器或通訊介面仍會顯示 15 °C。

有許多製程對溫度更加敏感,例如醫療裝置、特定雷射設備與半導體設備。對循環式冷卻水機而言,在指定熱負載下,將溫度穩定度維持在設定值的 ±0.1 °C 並不少見。不過,如前所述,建議先確認特定製程是否真的需要這種穩定度,因為這可能增加冷水機組件或開發成本。溫度控制模組中的 PID 演算法會控制冷凍系統內的開關閥或調節閥。調節閥通常為步進式閥門,可在工作點提供更精細的控制。它也不像開關閥一樣,在整個閥門使用壽命期間受到特定啟閉次數的限制。不過,相較於開關閥,調節閥完全開啟或關閉所需的時間較長。因此,當設定值出現階躍變化時,冷水機需要較長時間才能升降至新的溫度。

當冷水機需要控制多個流體迴路,或在大範圍溫度與高度變動熱負載下運作時,溫度控制可能變得相當複雜。在這種情況下,通常會使用 PLC 與 OIT,因為它們可透過程式控制多個控制裝置,並支援多個 PID 迴路。這類裝置可提供極高的彈性,實際功能僅受所編寫程式的限制。

總而言之,務必仔細確定系統工作點與所需穩定度。若這些項目的規格設定不正確,可能導致工具溫度失控,及/或增加不必要的成本。經驗豐富的冷水機製造商可根據正確的輸入條件,協助選擇適當的客製化或標準冷水機。

善用 RS232 通訊功能

未來的客戶滿意度要求將提升到全新的嚴格水準。客戶需要服務能無縫融入自身組織。冷卻系統與循環式冷卻水機本身就會透過內部感測器與控制系統,量測整套系統狀態的重要資訊。因此,冷卻系統與冷水機可有效利用 RS232 介面傳送系統問題資訊。這些豐富資訊有助於維護並保護整套系統中的設備。

最基本的情況下,RS232 可用於控制冷水機的基本功能,並檢查系統是否發生任何故障。大多數使用者只利用 RS232 開啟或關閉設備,以及控制設定值等基本功能。不過,由於冷水機幾乎所有功能都可透過 RS232 介面存取,因此其能力遠不止如此。

當冷水機需要控制多個流體迴路,或在大範圍溫度與高度變動熱負載下運作時,溫度控制可能變得相當複雜。在這種情況下,通常會使用 PLC 與 OIT,因為它們可透過程式控制多個控制裝置,並支援多個 PID 迴路。這類裝置可提供極高的彈性,實際功能僅受所編寫程式的限制。

總而言之,務必仔細確定系統工作點與所需穩定度。若這些項目的規格設定不正確,可能導致工具溫度失控,及/或增加不必要的成本。經驗豐富的冷水機製造商可根據正確的輸入條件,協助選擇適當的客製化或標準冷水機。

例如,伊頓的循環式冷卻水機可監控並傳送壓力變化資訊。系統完成安裝並開始運作後,可記錄液體側現有的壓力讀值作為基準點,持續監控液體側壓力。例如,如果您的設備在一段時間或數天內出現壓力突然持續升高或降低的趨勢,而原因可能是管路問題、腐蝕或濾網堵塞,就能在問題真正發生前收到潛在異常警示。

緩慢但持續的溫度變化也是即將出現問題的徵兆。如果系統在正常運作時逐漸失去維持溫度的能力,可能表示待冷卻的電子組件正在過熱,或因內部故障而無法正常運作,也可能是冷水機本身的效能正在下降。伊頓冷水機可量測小至 0.01 度的溫度變化,並透過 RS232 介面傳送相關資訊。

利用冷水機的量測與控制功能建立系統啟動測試或定期執行的測試,是在問題發生並造成停機之前辨識異常的極有效方式。使用冷水機內建感測器與 RS232 介面量測溫度、壓力及其他參數,可避免額外整合溫度與壓力感測器所需的成本與複雜度;及早診斷並修復故障或系統問題,也能節省成本並減少停機時間。

下載  RS232 通訊軟體 ,並複製到您的硬碟。將檔案解壓縮至單一資料夾(例如桌面);請勿解壓縮 KodiakPCHost.cab 檔案。由於防火牆設定,請將 setup.exr 重新命名為 setup.exe。執行 setup.exe 檔案。如果跳出訊息指出您系統中的某個檔案版本比即將安裝的版本更新,請選擇保留較新的檔案。接著,請確認 COM 1 連接埠設定為 9600 baud、8 個資料位元、1 個停止位元、無同位檢查。同時也不應啟用軟體流量控制。請注意,使用 WinZip 解壓縮 ZIP 檔案時,版本至少應為 9.0。此程式提供簡易介面,用來呈現主要畫面與控制功能。您必須關閉快顯視窗封鎖功能,才能進行下載。

深入瞭解可支援 RS323 通訊等智慧型系統控制功能的 循環式冷卻水機 。