專利名稱：高流率的氣體輸送的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高流率的氣體輸送，更具體地說，本發(fā)明涉及一種用于以高流率輸送高純度半導(dǎo)體氣體的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體制造中對以高流率向使用點輸送特殊氣體有不斷增長的需求。傳統(tǒng)壓縮氣體貯存罐、即氣瓶和噸級容器(ton container)讓液化氣在環(huán)境溫度處于其自身蒸汽壓力下。當蒸汽從罐中排放時，液體以等同的速率蒸發(fā)，而導(dǎo)致壓力的降低。這消耗罐中剩余液體的能量。在與罐之間沒有熱傳遞的情況下，液體溫度下降，導(dǎo)致蒸汽壓力的相應(yīng)下降。進一步的蒸汽排放最終使液體過冷以及使蒸汽流量減少。
與液體過冷一起，快速蒸汽排放以及對貯存罐的無控制熱傳遞也引起罐壁劇熱。這使亞穩(wěn)液滴轉(zhuǎn)入汽相。另外，傳統(tǒng)的壓縮氣存儲源輸送飽和蒸汽。其溫度下降或生產(chǎn)線中的流量限制導(dǎo)致冷凝。蒸汽流中出現(xiàn)液滴對大多數(shù)儀器是有害的，因此需要減至最少。
因此，問題是要從傳統(tǒng)源輸送高蒸汽流率，同時具有最少的液體帶出并且沒有液體過冷。
先有技術(shù)公開了從傳統(tǒng)源輸送高蒸汽流率的一些方式，但沒有任何先有技術(shù)教授或建議一種方法和系統(tǒng)，采用外部源以高流率進行這種輸送，同時具有從貯存罐壁到液體的最佳熱傳遞以及使生產(chǎn)線中的液滴形成減至最少。
美國專利第6122931號公開了一種系統(tǒng)，它將液化氣從貯存罐傳輸?shù)秸麴s塔，并使用餾出液將超高純度蒸汽輸送到使用點。包含的附加處理步驟使用液化氣。
美國專利第6076359號公開了增加環(huán)境和放置在氣室中的氣瓶之間的熱傳遞。這種增加通過改變氣室內(nèi)的空氣流率以及增加氣室內(nèi)部的散熱片來實現(xiàn)。這增強了從環(huán)境到氣瓶的熱傳遞。所產(chǎn)生的流率比較低。但是，輸送流率的提高仍然不足以滿足當前的需求。
美國專利第5894742號公開了一種用泵抽入蒸發(fā)器的液化壓縮氣，它在將氣體輸送到使用點之前將液體轉(zhuǎn)換為汽相。使用多個這類蒸發(fā)器，對應(yīng)于使用點的每個蒸發(fā)器允許通過輸送系統(tǒng)的高吞吐量。
美國專利第5673562號公開了配備內(nèi)部熱交換器的貯存罐的使用，它保持液氣界面的溫度。熱通過輻射或者經(jīng)過氣相的傳導(dǎo)被傳遞給該界面。
美國專利第5644921號公開了使從包含采用外部熱交換器加熱的液化壓縮氣的貯存罐中排放的蒸汽過熱。然后再通過浸入液相中的加熱管傳遞蒸汽，用這種過熱蒸汽與液相交換熱量。這使蒸汽冷卻，并導(dǎo)致液體沸騰以保持罐中的最小蒸汽壓力。然后，冷卻的蒸汽被輸送到使用點。
上述專利中提出的所有方法提供了通過外部源向液體供給附加能量的方法。但是，這些方法不適合現(xiàn)有的壓縮氣貯存源，并且需要附加的設(shè)備。這使那些發(fā)明耗費大量資金。此外，這些發(fā)明僅針對向系統(tǒng)供應(yīng)額外能量的問題。沒有關(guān)于實現(xiàn)輸送系統(tǒng)的最佳操作、降低各種熱阻的方法的論述或建議。
Udischas R.等人的“各種散裝電子特種氣體輸送方案的性能和成本比較”(在Workshop on Gas Distribution System，SEMICON West 2000中提出)比較了壓縮氣體的各種輸送系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)勢。用于比較的最大輸送流率是每分鐘400標準公升(slpm)氨、流動兩小時以及1000slpmHCl、流動一小時。
Yucelen B等人的“散裝特種氣體的高流量輸送系統(tǒng)”(Workshop onGas Distribution Systems，SEMICON West 2000中提供)公開了外部加熱的噸級容器能夠輸送高流率(高達1500slpm)。該文件的中心是分析高流率的蒸汽中的水份帶出。
從先有技術(shù)來看，需要一種方法和系統(tǒng)，1)便于采用外部熱源以高流率從現(xiàn)有的壓縮氣貯存源(氣瓶和噸級容器)中排放蒸汽；2)提出一種控制策略，實現(xiàn)從貯存罐壁到液體的最佳熱傳遞；以及3)研究出一種方法，輸送高蒸汽流率，同時還使生產(chǎn)線中的液滴形成減到最少。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個方面針對一種用于控制貯存罐中液化壓縮氣的溫度的方法，包括使液化壓縮氣進入貯存罐；將溫度測量裝置放置在壓縮氣貯存罐壁上；將至少一個加熱裝置放置在貯存罐附近；通過溫度測量裝置監(jiān)測貯存罐中壓縮氣的溫度；以及調(diào)節(jié)加熱裝置的輸出，以便對貯存罐中的液化壓縮氣進行加熱。
在另一個實施例中，本發(fā)明針對一種用于在蒸汽輸送過程中保持貯存罐中液化壓縮氣的蒸發(fā)的方法，包括把液化壓縮高純度半導(dǎo)體氣體送入貯存罐；將溫度測量裝置放置在貯存罐壁上；將至少一個加熱裝置放置在貯存罐附近；通過溫度測量裝置監(jiān)測貯存罐中壓縮氣的溫度；將壓力測量裝置放置在貯存罐的出口；通過壓力測量裝置監(jiān)測貯存罐內(nèi)壓縮氣的壓力；從貯存罐中放出一部分氣體；以及調(diào)節(jié)加熱裝置的熱量輸出，以便保持所需壓力。
在另一個實施例中，本發(fā)明針對一種以高流率輸送液化壓縮氣的方法，包括將液化壓縮的高純度半導(dǎo)體氣送入貯存罐；將溫度測量裝置放置在壓縮氣貯存罐壁上；將至少一個加熱裝置放置在貯存罐附近；通過溫度測量裝置監(jiān)測所產(chǎn)生的溫度；將壓力測量裝置放置在貯存罐的出口并監(jiān)測貯存罐壓力；調(diào)節(jié)加熱裝置的熱量輸出，以便對貯存罐中的液化壓縮氣加熱，從而控制貯存罐中液化壓縮氣的蒸發(fā)；以及控制來自貯存罐的氣體流量。
在另一個實施例中，本發(fā)明針對一種用于以高流率輸送氨的方法，包括將高純度液化壓縮氨氣送入噸級容器；將熱電偶放置在噸級容器壁上；將至少一個加熱裝置放置在噸級容器附近；監(jiān)測熱電偶；將壓力傳感器放置在噸級容器的出口并監(jiān)測貯存罐壓力；監(jiān)測噸級容器中液化壓縮氨的平均重量損失；從加熱裝置的輸出調(diào)節(jié)溫度，以便對噸級容器中的液化氨加熱；使液化壓縮氨在對流和泡核沸騰狀態(tài)下沸騰；控制噸級容器中的液化壓縮氨在對流和泡核沸騰狀態(tài)下的蒸發(fā)；以及控制來自噸級容器的氨流量。
本發(fā)明還針對一種用于以高流率輸送半導(dǎo)體生產(chǎn)氣體的系統(tǒng)，包括貯存罐，包含液化壓縮半導(dǎo)體生產(chǎn)氣體；溫度測量裝置，放置在貯存罐壁上；壓力探測器，放置在貯存罐的出口；加熱裝置，放置在貯存罐附近，其中溫度探測器和壓力探測器用來調(diào)節(jié)加熱器的輸出，以便對壓縮氣貯存罐中的液化壓縮半導(dǎo)體氣體加熱，并實現(xiàn)來自壓縮氣貯存罐的半導(dǎo)體氣體的高流量；以及閥裝置，控制來自貯存罐的半導(dǎo)體氣體的流量。
貯存罐是氣瓶或噸級容器。液化的可以是氨、氯化氫、溴化氫、氯或全氟丙烷。一般來說，溫度測量裝置是熱電偶。加熱裝置是陶瓷加熱器、加熱套或熱流體傳熱裝置。
本文所用術(shù)語“高流率”在本發(fā)明中表示氣體從貯存罐流出的速度。為了本發(fā)明，術(shù)語“高流率”指超過或大約500slpm的速率。
本文所用的“貯存罐”在本發(fā)明中表示保存液化氣的任何容器。為了本發(fā)明，“貯存罐”是氣瓶或噸級容器。本文也考慮能夠存儲液化氣的其它類型的貯存罐。
本文所用的“附近”指表明緊緊相鄰的位置。在至少一個實施例中，“附近”表示加熱裝置靠近貯存罐的位置。
附圖詳細說明通過以下最佳實施例的說明以及附圖，本領(lǐng)域的技術(shù)人員會了解本發(fā)明的其它目的、特征及優(yōu)點，圖中

圖1提供本發(fā)明中的貯存罐壁上的熱傳遞的示意表示；
圖2提供液體的一種典型沸騰曲線；圖3提供本發(fā)明中的用于輸送高蒸汽流率的實驗設(shè)置的示意圖；圖4提供氨流率變化以及表面溫度隨時間變化的示意圖；圖5提供輸送系統(tǒng)的示意圖；圖6提供輸送系統(tǒng)的流程圖；以及圖7是原型氨輸送系統(tǒng)的示意圖。
發(fā)明詳細說明本發(fā)明通過限制自然對流和泡核沸騰狀態(tài)中的液體沸騰，實現(xiàn)貯存罐中液化氣的最佳熱傳遞。本發(fā)明提供高達約180kWm-2的傳遞熱通量，以輸送高達約1000slpm的氨，同時使液體保持接近環(huán)境溫度。一個實施例表明，輸送大約500slpm的氨，傳遞熱通量大約為93.5kWm-2。類似的傳遞熱通量和流率適用于其它類似的半導(dǎo)體氣體，并由那些氣體的特性來確定。
本發(fā)明能夠以較低的表面溫度輸送高蒸汽流率，其中表面溫度預(yù)計不高于散裝液體或環(huán)境溫度以上20℃。以較低加熱器溫度的高蒸汽流率的輸送可通過增強從加熱器到貯存罐的熱傳遞來進行。
本發(fā)明允許將全部可用的表面積用于通過外部熱源對液相進行熱傳遞，例如使用熱液槽。控制策略允許以低表面溫度來實現(xiàn)和保持高蒸汽流率，以及增強對液體的熱傳遞。此外，本發(fā)明的系統(tǒng)及方法還可能通過使貯存罐中的汽相過熱來降低汽相中的液滴，而不需要任何額外的儀器。還提供了降低外部和內(nèi)部對熱傳遞的阻力的裝置。
在建議的系統(tǒng)中，系統(tǒng)外部的熱源用來提供能量以蒸發(fā)液體。熱源可以是直接接觸貯存罐的加熱套或熱流體。在熱流體(水或油之類)的情況下，將貯存罐浸沒于液槽中提供了對熱傳遞的最低阻力(參見表1)。在加熱套的情況下，加熱器設(shè)計為較高溫度，以便補償加熱器和貯存罐之間的不良接觸。這允許即使加熱器-貯存罐接觸的效力隨時間而惡化，也有足夠的能量傳遞給液體。在高流率下不可避免的壓縮氣罐的頻繁改變可能降低接觸效力。另外，在每個氣瓶改變之后難以準確地重復(fù)該接觸。在加熱套和貯存罐之間使用傳導(dǎo)油脂或橡膠還進一步降低外部接觸阻力。
提出一種控制策略以使貯存罐-液體接觸處對熱傳導(dǎo)的內(nèi)部阻力最小。這個策略限制對流和泡核沸騰狀態(tài)中的液體蒸發(fā)。通過監(jiān)測與液體接觸的貯存罐表面的溫度以及貯存罐的壓力來實現(xiàn)這個目的。表面溫度的降低表明從熱源到貯存罐的熱通量低于給定流率的液體汽化所需的能量。這表明高外部熱阻。提高熱源(熱流體或加熱套)的溫度增加這種情況下的熱通量。伴隨壓力下降的表面溫度提升表明，從貯存罐到液體的熱通量低于液體汽化所需的能量。這表明蒸汽薄膜沸騰的開始，這增加對熱傳遞的內(nèi)部阻力。降低加熱器溫度提高這種情況下的熱通量。
相同的熱源也用來將熱傳遞到汽相，從而產(chǎn)生過熱蒸汽的輸送。這使氣相中液滴的數(shù)量最小，并減少復(fù)雜儀器的使用，以便防止生產(chǎn)線中的蒸汽冷凝。過熱蒸汽提供了使汽相中存在的液滴蒸發(fā)所需的能量。過熱蒸汽還補償使蒸汽冷凝減為最少的流動限制上的冷卻。
本發(fā)明不要求使用新型貯存罐，并且能夠輸送來自傳統(tǒng)壓縮氣貯存罐的大范圍的蒸汽流率，從而降低資金投入并滿足客戶需求。本發(fā)明提出的策略控制對流和泡核沸騰狀態(tài)的液體蒸發(fā)，從而提高熱傳遞速率。在給定溫度上提高的熱通量導(dǎo)致高流率輸送的最佳方法。
本發(fā)明的基礎(chǔ)涉及壓縮氣容器中液體周圍的能量平衡，以流率F輸送蒸汽，如公式(1)所示。
mCpLdTLdt=Q-FΔHvap(Psat)----(1)]]>汽化所需能量FΔHvap(Psat)是可檢測的熱損失(液體溫度的下降TL)或者是來自熱源的熱傳遞(Q)。ΔHvap(Psat)是飽和壓力Psat下的汽化潛熱。符號m表示液體的質(zhì)量，CpL是其熱容。
為了保持恒定的液體溫度(dTL/dt＝0)，對液體的熱傳遞必須等于給定流率上汽化所需的能量。熱傳遞源可以是外部加熱器或者可以是環(huán)境。來自熱源的熱傳遞速率取決于可用表面積(A)、整體熱傳遞系數(shù)(U)以及源和液體之間的溫差(To-TL)，如公式(2)所示。
Q＝UA(To-TL) (2)圖1示意表示穿過貯存罐壁的截面從熱源到液體的熱傳遞的阻力。圖中，To、Twout、Twin以及TL分別表示熱源、貯存罐外壁、貯存罐內(nèi)壁以及液體的溫度。整體熱傳遞系數(shù)U與從熱源到貯存罐的熱傳遞系數(shù)hout、貯存罐壁的導(dǎo)熱性kw以及從罐壁到液體的熱傳遞系數(shù)hin的關(guān)系如下所示。
1UA=12πroLhout+12πriLhin+In(ro/ri)2πkwL----(3)]]>公式(3)假設(shè)長圓筒貯存罐長度為L，具有內(nèi)徑ri和外徑ro。對于給定的貯存罐，由導(dǎo)熱性(In(ro/ri)/(2ΔkwL))產(chǎn)生的熱阻是固定的。但是，內(nèi)部(1/(2ΔriLhin))和外部(1/(2ΔroLhout))熱阻取決于工作參數(shù)和熱源。下表1列出各種條件(稍后說明)的典型熱阻值。
表1對基于圖1的熱傳遞的熱阻的比較 對于具有24英寸外徑和0.5英寸壁厚的合金鋼噸級容器計算所列的值。加熱的長度假設(shè)為5英尺。對于這些計算，采用21℃的環(huán)境溫度和27℃的熱水溫。對于內(nèi)部熱傳遞熱阻，采用環(huán)境溫度下的氨特性。用于計算熱傳遞系數(shù)的相關(guān)方法摘自“熱量和質(zhì)量傳遞”(Perry’sChemical Engineers Handbook，第7版，第5章，McGraw-Hill，1999)。表1說明靜止的環(huán)境空氣提供對外部熱傳遞的最大熱阻。在上述公式中使用這些值，可以證明，來自環(huán)境空氣的熱傳遞在沒有明顯液體過冷的條件下只夠輸送大約7slpm的氨。這個計算假設(shè)液體溫度從低溫冷卻下降10℃。在沒有外部熱源的情況下，來自環(huán)境的熱傳遞限制了液體汽化的速率。為了獲得高蒸汽流率而沒有液體過冷，可使用例如加熱套或熱液槽之類的外部熱源，它們是本領(lǐng)域已知的。除此之外，本發(fā)明中的加熱裝置同樣包括本領(lǐng)域已知的用于向貯存罐提供熱量的其它陶瓷加熱器或其它適當?shù)难b置和方法。使用熱水槽可大大減小如表1所示的外部熱阻。在加熱套的情況下，對熱傳遞的熱阻將取決于加熱套和貯存罐之間的接觸。加熱套和貯存罐之間氣隙的存在會因空氣作為隔熱體而減少熱傳遞。但是，較高的加熱套溫度可補償加熱器和貯存罐之間的不良接觸。將導(dǎo)熱流體放置在加熱器和貯存罐之間也可增強熱傳遞。
如上所述，整體熱傳遞系數(shù)也取決于對熱傳遞的內(nèi)部熱阻。內(nèi)部熱傳遞系數(shù)取決于罐壁和液體之間的溫差以及液體的沸騰特性。一般來說，液池沸騰特性可大致分為四種狀態(tài)，如圖2中典型沸騰曲線所示。沸騰曲線是每單位面積熱通量(Q/A)對罐壁和液體之間溫差(Twin-TL)的雙對數(shù)坐標圖。四種狀態(tài)是自然對流沸騰、泡核沸騰、蒸汽薄膜沸騰以及輻射沸騰。曲線上的示意圖表示各狀態(tài)的特性。在自然對流沸騰中，靠近熱壁的加熱液體因自然對流而提升，并在汽液界面蒸發(fā)。在泡核沸騰狀態(tài)下，在罐壁上形成汽泡并升高到液氣界面，而不在散裝液體中冷凝。隨著溫差增加，氣泡在壁表面上聚結(jié)并形成蒸汽薄膜。這稱作薄膜沸騰。雖然這種狀態(tài)下的溫差較高，但熱傳遞的速率比泡核沸騰要低。在更高的溫差上，壁溫明顯升高，產(chǎn)生輻射熱傳遞。在這個狀態(tài)下，到液體的熱通量又隨著溫差的增加而增加。但是，這種狀態(tài)因接近傳統(tǒng)貯存罐材料的熔點的壁溫(超過大約1000℃)而對加熱沒有實際用途。
表1列出氨的不同沸騰狀態(tài)下熱阻的典型值。在由于液相中對熱傳遞的低熱阻而產(chǎn)生的極低溫差(Twin-TL)下，在自然對流和泡核沸騰狀態(tài)下獲得高熱傳遞速率。在薄膜沸騰狀態(tài)下，蒸汽薄膜作為隔熱體。
由于汽相中熱阻較高，所以這就減少了到液體的熱通量。這表明，為了從壓縮氣容器中輸送高蒸汽流率，汽化速率必需通過減小整體熱阻來提高。汽化的能量可用外部熱源來提供。對內(nèi)部熱傳遞的低熱阻可通過控制自然對流或泡核沸騰狀態(tài)下的液體沸騰來獲得。
從傳統(tǒng)壓縮氣源輸送的蒸汽是飽和的，因為它與容器內(nèi)存在的液體相平衡。在工藝管線中，蒸汽可因生產(chǎn)線的較低溫度或者流量限制上的膨脹過程中的溫度下降而冷卻。飽和蒸汽的溫度下降會導(dǎo)致冷凝。液滴的出現(xiàn)對儀器可能是有害的。對蒸汽提供能量以補償冷卻作用能夠使液滴形成的可能性最小。
實例進行實驗以評估采用噸級容器來輸送高流率氨的可行性。這些實驗用來建立蒸汽流率和表面溫度之間的關(guān)系。
用于測試噸級容器的實驗設(shè)置如圖3所示。充滿～530磅氨的4130X合金鋼噸級容器用于該實驗。十二個陶瓷加熱器用來控制噸級容器的表面溫度。加熱器是1”×1”大小的陶瓷方形網(wǎng)格，覆蓋連續(xù)的加熱絲。各陶瓷網(wǎng)格的大小為6”×19.5”，額定功率為3.6kW。這些加熱器間隔為～1”，沿網(wǎng)格縱向四個一組配合。其中的三組沿容器縱向并排放置。一英寸厚的隔熱材料用于加熱器之上，整個組件采用鋼絲固定到噸級容器的底部。這種加熱裝置覆蓋噸級容器總表面積的～25％。
表面溫度在六個不同位置采用在加熱表面積上以之字形排列的熱電偶來監(jiān)測及控制。熱電偶通過接頭焊接固定到噸級容器表面，以獲得真實的表面溫度。各熱電偶用于采用簡單開關(guān)控制器來控制一組加熱器。這種設(shè)置允許保持加熱表面上的一致溫度。氨流率根據(jù)30至50分鐘時段中的平均重量損失來測量。
圖4說明氨流率(右y軸)的變化以及表面溫度(左y軸)隨時間的變化。表面溫度的升高導(dǎo)致噸級容器輸送的氨蒸汽流率的相應(yīng)增加。在這個實驗過程中同樣受到監(jiān)測的壓力和液體溫度保持恒定。較高表面溫度下熱通量的增加導(dǎo)致較高的汽化速率，這提高了流率。恒定壓力和液體溫度表明加熱器提供的能量是足夠的，并且全部能量用來使氨蒸發(fā)并保持流率。在各種流率以及到液體的實際熱通量上所觀察的溫差如表2所示。熱通量采用氨流率和汽化熱量來計算。
表2實驗結(jié)果
可在泡核沸騰期間傳遞給液態(tài)氨的最大熱通量為1.5×103kWm-2。這個熱通量對應(yīng)于圖2所示沸騰曲線上的泡核和蒸汽薄膜沸騰狀態(tài)之間的最大點。采用摘自“熱量和質(zhì)量傳遞”(Perry’s Chemical EngineersHandbook，第7版，第5章，McGraw-Hill，1999)的相關(guān)方法來計算最大熱通量。采用核泡沸騰的熱傳遞相關(guān)，能夠進一步表明對于氨，在這個最大熱通量點上罐壁(Twin)和散裝液體(TL)之間溫差為～20℃。在實驗中，貯存罐外表面(Twout)和散裝液體(TL)之間所觀察的溫差在492slpm的流率下低于6℃。這表明，即使在如此高的流率下，液體只是才開始泡核沸騰。更高的流率可因增強的熱傳遞而在這種狀態(tài)下方便地實現(xiàn)。在概念上，采用上述實驗配置，可輸送7890slpm的氨，同時仍然使泡核狀態(tài)下的液態(tài)氨沸騰。
以上提供的實驗數(shù)據(jù)證明采用足夠的熱源并控制表面溫度，就能夠從噸級容器中輸送一系列蒸汽流率。數(shù)據(jù)還表明能夠剛好在泡核沸騰開始時實現(xiàn)這些高流率。
圖5說明一種最佳系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括以下組件1)傳統(tǒng)的壓縮氣源(即氣瓶、噸級容器)；2)熱源；3)閥裝置(即控制來自氣源的氣體流量)；4)壓力測量裝置(即監(jiān)測氣源中的壓力的壓力傳感器)；5)溫度測量裝置(即測量氣源內(nèi)溫度的溫度傳感器)；6)控制熱量的加熱器控制箱；以及7)控制氣流的流量開關(guān)。圖5中，圖中實線表示氣體流量，虛線表示控制回路。
壓縮氣體貯存罐充滿在環(huán)境溫度下處于其自身蒸汽壓力的液化氣。這在容器底部產(chǎn)生液相以及在頂部產(chǎn)生汽相。通過完全打開閥從汽相中排放待輸送的氣體。在這種配置中，壓力傳感器讀取罐內(nèi)的蒸氣壓力。溫度傳感器用來監(jiān)測罐底部的表面溫度，它始終與內(nèi)部液相接觸。至少在三個不同位置上監(jiān)測溫度。這些讀數(shù)的平均值用于控制邏輯中。溫度傳感器可以是紅外傳感器或接頭焊接的熱電偶?？刂葡淇梢允怯嬎銠C或?qū)崟r邏輯控制器。采用熱源來傳遞到貯存罐的熱量。
熱源可以是套式加熱器或者再循環(huán)液槽。液槽中流體的溫度通過外部加熱器來保持，其流率采用流量計來控制。套式加熱器可由電力(如實驗設(shè)置中的電阻加熱器)或者由再循環(huán)熱流體來提供能量。如果貯存罐浸入水或油之類的加熱液槽中并且讓流體再循環(huán)，則獲得最低熱傳遞熱阻。如果使用加熱套(電氣的或熱流體)，則最好是使用傳導(dǎo)油脂或橡膠來增加加熱器和貯存罐之間的接觸面積。
對輸送系統(tǒng)提出的控制策略如圖6示意所示?？刂婆袥Q的基礎(chǔ)是將當前時間t的壓力P和表面溫度T的值與以前時間t-Δt的值進行比較。這通過對溫度設(shè)置上限(Tmax)以及對壓力設(shè)置上限(Pmax)來改善輸送系統(tǒng)的安全性，并且還確保不間斷的輸送。表面溫度隨流率增加而降低是供熱不足的警告。如果加熱器傳遞的熱量低于蒸發(fā)液體以保持流率所需的熱量，表面溫度會下降。表面溫度隨壓力下降而升高表明蒸汽薄膜狀態(tài)下的沸騰。在這種情況下，從貯存罐傳遞到液體的能量低于汽化所需的能量。
在沒有流量條件(沒有對氣體的處理需求)下，閥保持全開，壓力傳感器和溫度傳感器讀出的壓力和溫度是恒定的。生產(chǎn)線充滿氣體。當客戶需要氣體時，流量開關(guān)打開，觸發(fā)控制回路。當氣體開始流動時壓力下降，根據(jù)流率，表面溫度保持恒定或者降低。這觸發(fā)控制器提高加熱器溫度以保持恒定壓力。在再循環(huán)流體加熱器(液槽或加熱套)的情況下，流體溫度或流體流率可有效地用于控制提供給貯存罐的熱量。電加熱器提供的熱量由施加給加熱器的電壓或者通過交替開關(guān)加熱器來控制。加熱器向液相提供能量，導(dǎo)致液體汽化，它保持貯存罐內(nèi)的恒定壓力。因恒定或下降的表面溫度下流率需求的進一步增加而產(chǎn)生的壓力下降增加給加熱器的功率以便蒸發(fā)更多液體。增加的熱輸入將液體保持在恒定溫度。
當流率需求減少時，貯存罐中的壓力因蒸汽聚集而增加，它還因熱量聚集而提高表面溫度。當滿足這兩種條件時，控制器降低加熱器溫度。加熱器溫度還在以下兩種情況下降低。首先，如果達到了壓力或溫度上限。其次，如果表面溫度上升，同時壓力下降(蒸汽薄膜沸騰)。每次重新進入控制回路之前，檢查流量開關(guān)以確認仍然需要氣體。
加熱整個貯存罐還導(dǎo)致對貯存罐中汽相的熱傳遞。這在容器中產(chǎn)生過熱蒸汽。過熱蒸汽的過剩能量有助于可能已帶到汽相中的任何亞穩(wěn)液滴的蒸發(fā)。從壓縮氣源排放過熱蒸汽使生產(chǎn)線中蒸汽冷凝的機會減至最少，蒸汽冷凝可能是排放飽和蒸汽時的嚴重問題。溫度的下降或流量限制會在使用飽和蒸汽的同時，在生產(chǎn)線中導(dǎo)致液滴冷凝。
散裝氨輸送系統(tǒng)的實例下面說明一種待安裝在客戶地點的原型散裝氨輸送系統(tǒng)，它采用了上述控制策略的可能變化。
輸送系統(tǒng)包括裝在金屬片外殼中并由其支撐的噸級容器。噸級容器是臥式壓力罐，具有～450L的內(nèi)體積以及～529kg的重量。噸級容器外殼具有內(nèi)部涂敷的絕熱材料。外殼在接近噸中線處水平劃分。上半部安裝了鉸鏈以提供噸級容器的維護、安裝以及拆卸入口。邊緣具有足夠的剛性以免變形。嵌入外殼底部的三個圓環(huán)支架沿噸級容器的～52”圓柱段等距分隔。中央支架具有安裝監(jiān)測噸級容器表面溫度的兩個紅外檢測器的設(shè)施。在外殼的各端，放置在縱向中線上的斜導(dǎo)軌被結(jié)合并連接到端支架，以便定位噸級容器。
為了向噸級容器傳遞熱量，采用12”內(nèi)徑×11”寬×28”周長的四個陶瓷加熱器。加熱器安裝在兩組二個一組的支架之間的外殼中。噸級容器的圓柱段上的加熱器布置如圖7所示。各加熱帶具有850°F的最大工作溫度，額定功率為～3.75kW、440V、單相功率。各加熱帶在各端配備了固定法蘭，適合彈簧固定。彈簧連接外殼內(nèi)部，使加熱器在噸級容器下降定位時對貯存罐施加夾持力。加熱帶/彈簧/噸級容器表面的幾何結(jié)構(gòu)確保帶式加熱器決不支撐噸級容器的重量，并提供加熱器和貯存罐之間的最佳表面接觸。這種配置還允許改變噸級容器而不需要反復(fù)調(diào)整。
各加熱器帶連接到過程控制器，并配備兩個熱電偶。一個熱電偶用于控制溫度設(shè)定點，另一個用于過熱監(jiān)測。四個加熱器的過程控制器安裝在公共控制箱內(nèi)。控制箱通過電源接線盒將電力施加給加熱器，并通過信號接線盒讀取溫度。
開始流動之前，在通用控制器中輸入壓力設(shè)定點。到達壓力設(shè)定點時關(guān)閉加熱器，并在壓力下降到低于設(shè)定點時重新接通。壓力會因蒸汽排放而下降。加熱器溫度設(shè)定點被輸入各過程控制器，以便設(shè)置加熱器溫度的上限。過熱條件通過控制箱向通用控制器發(fā)送信號，它關(guān)閉加熱器。除過熱信號之外，加熱器過程控制器還將在加熱器燒壞或出故障的情況下向通用控制器提供信號，這將啟動告警，關(guān)閉加熱器的電源，以及發(fā)起向備用設(shè)備的自動切換。
兩個紅外表面溫度傳感器連接到通用控制器，并通過限制噸級容器壁溫來作為主要安全裝置。它們具有最大可配置值125°F。在所配置的表面溫度之下，傳感器允許加熱器工作。如果在任一傳感器上達到表面溫度設(shè)定點，這個信號超越上述壓力控制過程。通用控制器關(guān)閉加熱器的電源，并發(fā)起向備用設(shè)備的自動切換。溫度傳感器也安裝在用于蒸汽溫度測量的工藝管線中，信號發(fā)送到通用控制器。在本發(fā)明中，溫度測量裝置是任何溫度傳感器，最好是熱電偶。蒸汽溫度和兩個紅外傳感器的平均值之間的溫差與控制器中配置的設(shè)定點進行比較。
超過設(shè)定點的溫差值用作液體過冷的警告。這為操作人員提供了減少氨需求或轉(zhuǎn)換到另一個噸級容器的機會。
為了總結(jié)控制策略，如果滿足以下全部條件，則接通加熱器的電源1)噸級容器表面溫度低于設(shè)定點；2)噸級容器蒸汽壓力低于設(shè)定點；3)沒有加熱器過熱；4)所有加熱器工作；5)噸級容器表面/蒸汽溫差低于設(shè)定點。如果沒有滿足條件1)、3)或4)中任一個，則關(guān)閉加熱器的電源，并且通用控制器發(fā)起向第二噸級容器的自動切換。
原型輸送系統(tǒng)的測試證明600slpm的平均氨流率可在90psi(每平方英寸磅數(shù))的輸送壓力下保持～2.5小時而沒有明顯的液體過冷。測試還證明采用上述配置，800slpm的最大氨流率可輸送30分鐘，而在噸級容器中沒有明顯的壓力下降。
本發(fā)明中所用的半導(dǎo)體氣體可以是任何液化可壓縮氣，最好是氨、氯化氫、溴化氫、氯以及全氟丙烷。
雖然上述發(fā)明完全可工作，但可考慮某些變更。可能需要一些修改重新設(shè)計貯存罐。
貯存罐可設(shè)計為罐壁的組成部分。這種配置會提供與采用熱液槽時所獲得的熱傳遞系數(shù)相似的熱傳遞系數(shù)。
內(nèi)部構(gòu)件(如散熱片)的使用可加入貯存罐中，以增加熱傳遞面積。這具有在更低溫度下輸送高流率的可能。如果貯存罐的所有可用外表面被加熱，并且在蒸汽和液體空間中都有延伸到液體中的高傳導(dǎo)性內(nèi)部散熱片，則會增強熱傳遞。
也可添加外部散熱片以增強從液槽到貯存罐的熱傳遞。
熱電偶或熱井可包含在貯存罐中，以便實現(xiàn)直接液體溫度測量。當液體溫度而不是貯存罐壓力保持恒定時，這實現(xiàn)更健壯的控制。
分子篩墊或其它分離單元操作、如出口上的蒸餾可用來減少汽相中水分之類的雜質(zhì)，從而向使用點輸送超高純度氣體。
對緩和(abatement)系統(tǒng)排出一定百分比的原始蒸汽液面上空間會減少輕組分雜質(zhì)，產(chǎn)生超高純度氣體的輸送。
本發(fā)明還可在連續(xù)方式下工作。液體蒸發(fā)器可根據(jù)所建議的發(fā)明來設(shè)計?，F(xiàn)有的存儲容器可修改為連續(xù)接受液體產(chǎn)品。液化氣泵入該蒸發(fā)器中，在這里被連續(xù)蒸發(fā)，以便向使用點輸送氣態(tài)產(chǎn)品。泵浦速率取決于流率需求。流率需求和所需的蒸汽溫度控制送到蒸發(fā)器的熱通量。
只是為方便起見，在一個或多個附圖中給出本發(fā)明的具體特征，而各特征可根據(jù)本發(fā)明與其它特征組合。本領(lǐng)域的技術(shù)人員會知道其它實施例，這些實施例也要包含于權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于控制貯存罐中液化壓縮氣的溫度的方法，包括a.將液化壓縮氣送入貯存罐；b.將溫度測量裝置設(shè)置在所述壓縮氣貯存罐壁上；c.將至少一個加熱裝置放置在所述貯存罐附近；d.通過所述溫度測量裝置監(jiān)測所述貯存罐內(nèi)所述壓縮氣的溫度；以及e.調(diào)節(jié)所述加熱裝置的輸出以加熱所述貯存罐中的所述液化壓縮氣。
2.一種用于在蒸氣輸送過程中保持貯存罐中液化壓縮氣的蒸發(fā)的方法，包括a.將高純度半導(dǎo)體液化壓縮氣送入貯存罐；b.將溫度測量裝置設(shè)置在所述貯存罐壁上；c.將至少一個加熱裝置放置在所述貯存罐附近；d.通過所述溫度測量裝置監(jiān)測所述貯存罐內(nèi)的所述壓縮氣的溫度；e.將壓力測量裝置放置在所述貯存罐的出口處；f.通過所述壓力測量裝置監(jiān)測所述貯存罐內(nèi)所述壓縮氣的壓力；g.使一部分氣體排出所述貯存罐；以及h.調(diào)節(jié)所述加熱裝置的熱輸出以保持所需壓力。
3.一種用于以高流率輸送液化壓縮氣的方法，包括a.將高純度半導(dǎo)體液化壓縮氣送入貯存罐；b.將溫度測量裝置設(shè)置在所述壓縮氣貯存罐壁上；c.將至少一個加熱裝置放置在所述貯存罐附近；d.通過所述溫度測量裝置監(jiān)測產(chǎn)生的溫度；e.將壓力測量裝置放置在所述貯存罐的出口處并監(jiān)測所述貯存罐壓力；f.調(diào)節(jié)所述加熱裝置的熱輸出，以便加熱所述貯存罐內(nèi)的所述液化壓縮氣，從而控制所述貯存罐內(nèi)所述液化壓縮氣的蒸發(fā)；以及g.控制來自所述貯存罐的所述氣體的流量。
4.一種用于以高流率輸送氨的方法，包括a.將高純度液化壓縮氨氣送入噸級容器；b.將熱電偶設(shè)置在所述噸級容器壁上；c.將至少一個加熱裝置放置在所述噸級容器附近；d.監(jiān)測所述熱電偶；e.將壓力傳感器放置在所述噸級容器的出口處，并監(jiān)測所述貯存罐壓力；f.監(jiān)測所述噸級容器中所述液化壓縮氨的平均重量損失；g.從所述加熱裝置的輸出中調(diào)節(jié)溫度，以便加熱所述噸級容器中的所述液化氨；h.在對流和泡核沸騰狀態(tài)下使所述液化壓縮氨沸騰；i.控制所述噸級容器內(nèi)所述液化壓縮氨在所述對流和泡核沸騰狀態(tài)下的蒸發(fā)；以及j.控制來自所述噸級容器的氨的流量。
5.一種用于以高流率輸送半導(dǎo)體生產(chǎn)氣體的系統(tǒng)，包括a.貯存罐，包含液化壓縮半導(dǎo)體生產(chǎn)氣體；b.溫度測量裝置，設(shè)置在所述貯存罐壁上；c.壓力探測器，放置在所述貯存罐的出口處；d.加熱裝置，放置在所述貯存罐附近，其中所述溫度探測器和壓力探測器用來調(diào)節(jié)所述加熱器的輸出，以便加熱所述壓縮氣貯存罐內(nèi)的所述液化壓縮半導(dǎo)體氣體，并實現(xiàn)來自所述壓縮氣貯存罐的半導(dǎo)體氣體的高流量；以及e.閥裝置，控制從所述貯存罐流出的所述半導(dǎo)體氣體的流量。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述貯存罐是氣瓶或噸級容器。
7.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱裝置是加熱套。
8.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述加熱裝置是陶瓷加熱器。
9.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高流率高達大約500slpm。
10.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述溫度測量裝置是熱電偶。
全文摘要
本發(fā)明針對一種以高流率輸送液化壓縮氣的方法，包括將液化壓縮的高純度半導(dǎo)體氣送入貯存罐；將溫度測量裝置設(shè)置在壓縮氣貯存罐壁上；將至少一個加熱裝置放置在貯存罐附近；通過溫度測量裝置監(jiān)測所產(chǎn)生的溫度；將壓力測量裝置放置在貯存罐的出口處并監(jiān)測貯存罐壓力；調(diào)節(jié)加熱裝置的熱量輸出，以便加熱貯存罐中的液化壓縮氣，從而控制貯存罐中液化壓縮氣的蒸發(fā)；以及控制來自貯存罐的氣體的流量。
文檔編號F17C7/00GK1620575SQ01822970
公開日2005年5月25日 申請日期2001年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月5日
發(fā)明者A·潘特, M·理查森, M·勒斯納 申請人:普萊克斯技術(shù)有限公司