Puolijohdevalmistuksessa kryogeenisten jakelujärjestelmien odotetaan tekevän enemmän kuin vain siirtävän nestemäistä typpeä tai argonia pisteestä toiseen. Nesteen on pysyttävä vakaana, puhtaana ja yksifaasisena aina käyttöpisteeseen asti. Jopa pienet määrät lämpöä voivat aiheuttaa kaasunpurkauksia, paineenvaihteluita tai kosteuskontaminaatiota, jotka vaikuttavat prosessin vakauteen.

SiksiTyhjiöeristetty putkijärjestelmiä käytetään yleisesti puolijohdetehtaissa perinteisten vaahtoeristettyjen putkien sijaan. Kun ne yhdistetään asianmukaisesti hallittuunDynaaminen tyhjiöpumppujärjestelmä, kokonaislämmönvuoto voi pysyä alle 3 W/m samalla kun pitkän aikavälin tyhjiö pysyy vakaana koko siirtolinjassa.

Puolijohdesovelluksissa tyhjiöeristystä ei tule pitää passiivisena kerroksena putken ympärillä. Se on aktiivinen lämpöjärjestelmä, joka vaatii mitattavaa tyhjiösuorituskykyä ja pitkäaikaista ylläpidettävyyttä. Tarkkojen sirujen valmistusympäristöissä jo pienikin nesteen kyllästyslämpötilan nousu voi johtaa kaksifaasiseen virtaustilaan, joka häiritsee jäähdytyspiirejä, puhdistusjärjestelmiä tai prosessinohjauslaitteita.

Miksi lämpövuoto on tärkeää kryogeenisissä puolijohdejärjestelmissä

Jokaiseen kryogeeniseen siirtolinjaan vaikuttaa kolme pääasiallista lämmönsiirtomuotoa:

• säteily rengasmaisen tilan läpi
• jäännösmolekyylien aiheuttama kaasunjohtavuus
• kiinteä johtavuus tukien ja välikappaleiden kautta

Oikein suunnitellussaTyhjiöeristetty putki, rengasmainen paine laskee tyypillisesti alle 1 × 10⁻⁴ Pa:n. Tällä tyhjiötasolla jäljellä olevien kaasumolekyylien keskimääräinen vapaa matka on huomattavasti suurempi kuin rengasmainen rako, mikä vähentää huomattavasti kaasumaisen lämmönjohtavuutta.

Säteilylämmönsiirtoa hallitaan monikerroseristyksellä (MLI). Eristys koostuu vuorottelevista heijastavan kalvon ja matalajohtavuuden omaavan välimateriaalin kerroksista. Oikealla kerrostiheydellä ja asennustavalla säteilylämmönvirta voidaan vähentää vain muutamaan wattiin neliömetriä kohden.

Jäljelle jäävä lämpötie tulee pääasiassa mekaanisista tuista. Tämän vaikutuksen minimoimiseksi käytetään tyypillisesti matalajohtavia materiaaleja, kuten G-10-lasikuitua tai Torlon®-kuitua. Näidenkin tukien on silti oltava riittävän mekaanisia kestämään lämpösupistumista, tärinää ja seismistä kuormitusta käytön aikana.

Pitkillä siirtomatkoilla tyhjiöeristyksen ja vaahtoeristyksen välinen ero on hyvin huomattava. Hyvin huollettu tyhjiöjärjestelmä voi ylläpitää vakaata lämpötehoa useita vuosia, kun taas vaahtoeriste imee kosteutta ilmakehästä vähitellen. Kun kosteus pääsee eristysrakenteeseen ja jäätyy, lämpötehokkuus yleensä heikkenee ajan myötä.

Käytännön puolijohde-LN₂-jakelujärjestelmissätyhjiöeristetty putkistovoi vähentää kiehumista merkittävästi perinteisiin vaahtoeristettyihin putkiin verrattuna, erityisesti pitkillä ulkoajoilla tai jatkuvasti toimivissa pääjakoputkissa.

Dynaaminen tyhjiöpumppujärjestelmä

Yksi staattisten tyhjiövaippojen ongelma on, että tyhjiön laatu voi hitaasti heikentyä vuosien varrella kaasun purkautumisen, heliumin läpäisyn tai mikroskooppisen vuodon vuoksi.

Tämän ratkaisemiseksi suuri halkaisijaTyhjiöeristetty putkijärjestelmät voidaan varustaaDynaaminen tyhjiöpumppujärjestelmäJärjestelmään kuuluu normaalisti kompakti turbomolekyyli- tai scroll-pumppujärjestely, joka palauttaa rengasmaisen tyhjiön säännöllisesti alkuperäiseen suunniteltuun tilaansa.

Tyhjiötasoja seurataan jatkuvasti kylmäkatodimittareilla. Pumppu aktivoituu vain, kun paine nousee tavoitearvon yläpuolelle, joten virrankulutus ja huoltotarpeet pysyvät suhteellisen alhaisina.

Eräässä puolijohdetehtaan päivitysprojektissa Hsinchussa Taiwanissa aktiivisesti hallittu tyhjiöpumppausjärjestelmä mahdollisti ikääntyvän LN₂-siirtojakotukin lämpöominaisuuksien palautumisen lähelle alkuperäistä toimintatilaansa ilman tuotantolinjan sulkemista. Uusissa projekteissa aktiivinen tyhjiöhuolto antaa käyttäjille myös paremman luottamuksen eristyksen pitkäaikaiseen vakauteen järjestelmän koko käyttöiän ajan.

Materiaalit ja järjestelmäsuunnittelu

Puolijohde- ja erittäin puhtaissa sovelluksissa sisäinen prosessiputki valmistetaan tyypillisesti 304L- tai 316L-ruostumattomasta teräksestä. Sisäpinnat puhdistetaan, huuhdellaan ja passivoitu, jotta ne täyttävät happipitoisen puhtauden vaatimukset ja minimoivat kontaminaatioriskin.

Ulkovaippa voi olla maalattua hiiliterästä tai ruostumatonta terästä asennusympäristöstä riippuen. Puhdastilojen lähellä olevissa tiloissa ruostumattomasta teräksestä valmistettuja ulkovaippoja suositaan usein korroosion tai pintakontaminaation välttämiseksi.

Myös lämpökutistuminen on otettava huolellisesti huomioon. LN₂-siirtolinja voi supistua noin 2,5–3 mm metriä kohden ympäristön lämpötilan ja käyttölämpötilan välillä. Tämän liikkeen vaimentamiseksi putkistoverkostoon asennetaan yleensä paljetyyppisiä laajenemiskompensaattoreita laskennallisiin ankkurointikohtiin.

Kun tarvitaan liikkuvuutta tai joustavuutta,Tyhjiöeristetty joustava letkukokoonpanoja käytetään yleisesti. Tyypillisiä sijainteja ovat säiliöliitännät, laiteliitännät, jakotukkien haarat ja liikuteltavat prosessialustat.

Näissä joustavissa letkuissa on aallotettu sisäydin, tyhjiövaippa ja MLI-rakenne, joka muistuttaa jäykkää tyhjiöputkea. Oikein suunnitellut kokoonpanot säilyttävät tyhjiön eheyden toistuvien kryogeenisten lämpösyklien jälkeen ja estävät samalla ulkoisen jään muodostumisen, joka on yleistä eristämättömissä punotuissa letkuissa.

Tyhjiöeristetyt venttiilitjaVaiheerottimet

Lämpövuotojen hallinta ei rajoitu suoriin putkiosiin. Venttiilit jafaasierottimetmyös tärkeässä roolissa vakaiden kryogeenisten virtausolosuhteiden ylläpitämisessä.

A Tyhjiöeristetty venttiilikäyttää normaalisti pidennettyä kantta ja tyhjiövaippaista runkoa pitääkseen kriittiset tiivistealueet poissa erittäin alhaisista lämpötiloista. Tämä auttaa estämään karan tiivisteen jäätymisen ja vähentää ei-toivottua kondensaatiota venttiilirakenteen sisällä.

Ilman tyhjiöeristystä venttiileistä voi tulla järjestelmän keskittyneitä lämpövuotokohtia. Nestekryogeenisessä käytössä tämä voi aiheuttaa paikallisia höyrytaskuja, epävakaita virtausolosuhteita tai vesivasaroita.

Puolijohdeprosessijärjestelmissä käytetään yleisesti pidennettykantisia istukkaventtiilejä ja yläaukkoisia palloventtiilejä ASME B31.3- ja EN 13480 -vaatimusten mukaisesti.

A Tyhjiöeristetty vaiheenerotinkäytetään poistamaan leimahduskaasu ennen kuin neste pääsee herkkiin alavirran laitteisiin. Puolijohdesovelluksissa epävakaa kaksifaasivirtaus voi aiheuttaa paineenvaihteluita, jotka ovat riittävän suuria laukaisemaan prosessihälytykset tai laitteiden lukitukset.

Useimmissa erotinrakenteissa käytetään tangentiaalista sisääntuloa yhdessä sisäisen huurteenpoistorakenteen kanssa höyry-neste-erotuksen tehokkuuden parantamiseksi. Monissa projekteissa erotin yhdistetään prosessilattian lähelle asennettuun minisäiliöön. Minisäiliö toimii paikallisena puskuritilana, joka auttaa vakauttamaan lyhytaikaisia ​​kysynnän vaihteluita aiheuttamatta merkittävää lisälämpökuormaa.

Puolijohdeprojektin esimerkki

DRAM-laitoksen laajennusprojekti Etelä-Koreassa vaati uuden LN₂-jakeluverkon, joka palvelee upotusjäähdytteisiä testauslaitteita ja kiekkojen käsittelytyökaluja.

Asennus käsitti noin 180 metriä jäykkää tyhjiöeristettyä putkea, joka oli yhdistetty useisiin työkaluhaaroihin tyhjiöeristettyjen joustavien letkukokoonpanojen avulla. Irtotavaravarastoalueen lähelle asennettiin tyhjiöeristetty faasierotin ja 2 kuutiometrin minisäiliö.

Dynaaminen tyhjiöpumppujärjestelmä piti rengasmaisen paineen alle 5 × 10⁻⁶ mbarissa 6 tuuman pääsiirtolinjoissa.

Käyttöönoton aikana mitattu lämpövuoto ensisijaisessa jakotukissa oli keskimäärin noin 1,3 W/m² vakaissa käyttöolosuhteissa. Yhden vuoden jatkuvan käytön jälkeen säännölliset alipaineen palautusjaksot pitivät eristyksen suorituskyvyn lähellä alkuperäistä lähtötasoa.

Verrattuna aiempaan vaahtoeristettyyn konseptiin, laitoksessa raportoitiin huomattavasti pienemmistä nestemäisen typen häviöistä ja parantuneesta toiminnan vakaudesta. Prosessilokeissa ei myöskään havaittu eristyksen heikkenemiseen liittyviä kosteuteen liittyviä kontaminaatiotapahtumia.

Sovellukset

Tyhjiöeristettyjä kryogeenisiä siirtojärjestelmiä käytetään laajalti puolijohdevalmistuksessa, LNG-infrastruktuurissa, teollisuuskaasun jakelussa ja nestemäisen vedyn sovelluksissa.

Vaikka toimintaympäristöt vaihtelevat, suunnittelutavoite pysyy samana:

• ylläpitää tyhjiön vakautta
• minimoi lämmön pääsy
• säilyttää faasivakauden koko siirtoprosessin ajan

Järjestelmäsuunnittelussa noudatetaan yleensä kansainvälisiä standardeja, kuten ASME B31.3, EN 13480 ja ISO 21029, projektin laajuudesta ja alueellisista vaatimuksista riippuen.

Puolijohdelaitoksissa kryogeenisen jakelujärjestelmän suorituskyky vaikuttaa suoraan toiminnan tehokkuuteen, nesteenkulutukseen ja pitkän aikavälin prosessien luotettavuuteen. Tästä syystä putkistot, venttiilit, erottimet ja tyhjiöjärjestelmät tulisi suunnitella yhdeksi integroiduksi lämpöjärjestelmäksi erillisten komponenttien sijaan.

At HL KryogeniikkaTeemme yhteistyötä EPC-urakoitsijoiden, kaasuyhtiöiden ja puolijohdelaitosten kanssa kehittääksemme kryogeenisiä siirtoratkaisuja, jotka perustuvat todellisiin käyttöolosuhteisiin, lämpökuormitustavoitteisiin ja asennusvaatimuksiin vakioluettelokokoonpanojen sijaan.

Jos suunnittelet uutta puolijohdetehdasprojektia tai päivität olemassa olevaa LN₂-jakeluverkkoa, suunnittelutiimimme voi auttaa arvioimaan lämpövuotokykyä, tyhjiöstrategiaa ja järjestelmän kokoonpanoa pitkäaikaista käyttöä varten.