Στην κατασκευή ημιαγωγών, τα κρυογονικά συστήματα διανομής αναμένεται να κάνουν περισσότερα από το να μεταφέρουν απλώς υγρό άζωτο ή αργό από το ένα σημείο στο άλλο. Το ρευστό πρέπει να παραμένει σταθερό, καθαρό και μονοφασικό μέχρι το σημείο χρήσης. Ακόμη και μικρές ποσότητες εισερχόμενης θερμότητας μπορούν να δημιουργήσουν αέριο ανάφλεξης, διακυμάνσεις πίεσης ή μόλυνση από υγρασία που επηρεάζουν τη σταθερότητα της διεργασίας.

Γι' αυτόΣωλήνας με μόνωση κενούΤα συστήματα χρησιμοποιούνται συνήθως σε εργοστάσια ημιαγωγών αντί για συμβατικές σωληνώσεις με μόνωση αφρού. Όταν συνδυάζονται με σωστά διαχειριζόμενοΔυναμικό σύστημα αντλίας κενού, η συνολική διαρροή θερμότητας μπορεί να παραμείνει κάτω από 3 W/m διατηρώντας παράλληλα μακροπρόθεσμη σταθερότητα κενού σε ολόκληρη τη γραμμή μεταφοράς.

Για εφαρμογές ημιαγωγών, η μόνωση κενού δεν πρέπει να θεωρείται ως ένα παθητικό στρώμα γύρω από τον σωλήνα. Πρόκειται για ένα ενεργό θερμικό σύστημα που απαιτεί μετρήσιμη απόδοση κενού και μακροπρόθεσμη συντήρηση. Σε περιβάλλοντα κατασκευής τσιπ υψηλής ακρίβειας, ακόμη και μια μικρή αύξηση στη θερμοκρασία κορεσμού ρευστού μπορεί να οδηγήσει σε συνθήκες ροής δύο φάσεων που επηρεάζουν τα κυκλώματα ψύξης, τα συστήματα καθαρισμού ή τον εξοπλισμό ελέγχου διεργασιών.

Γιατί η διαρροή θερμότητας έχει σημασία σε κρυογονικά συστήματα ημιαγωγών

Κάθε κρυογονική γραμμή μεταφοράς επηρεάζεται από τρεις κύριες μορφές μεταφοράς θερμότητας:

• ακτινοβολία στον δακτυλιοειδή χώρο
• αέρια αγωγιμότητα που προκαλείται από υπολειμματικά μόρια
• στερεά αγωγιμότητα μέσω στηριγμάτων και διαχωριστικών

Σε ένα σωστά σχεδιασμένοΣωλήνας με μόνωση κενού, η δακτυλιοειδής πίεση συνήθως μειώνεται κάτω από 1×10⁻⁴ Pa. Σε αυτό το επίπεδο κενού, τα υπόλοιπα μόρια αερίου έχουν μέση ελεύθερη διαδρομή σημαντικά μεγαλύτερη από το δακτυλιοειδές κενό, γεγονός που μειώνει σημαντικά την αέρια αγωγιμότητα θερμότητας.

Η μεταφορά θερμότητας μέσω ακτινοβολίας ελέγχεται χρησιμοποιώντας πολυστρωματική μόνωση (MLI). Η μόνωση αποτελείται από εναλλασσόμενα στρώματα ανακλαστικού φύλλου και υλικού διαχωρισμού χαμηλής αγωγιμότητας. Με τη σωστή πυκνότητα στρώσεων και μέθοδο εγκατάστασης, η ροή θερμότητας μέσω ακτινοβολίας μπορεί να μειωθεί σε λίγα μόνο βατ ανά τετραγωνικό μέτρο.

Η υπόλοιπη θερμική διαδρομή προέρχεται κυρίως από μηχανικά υποστηρίγματα. Για την ελαχιστοποίηση αυτού του φαινομένου, χρησιμοποιούνται συνήθως υλικά χαμηλής αγωγιμότητας όπως το fiberglass G-10 ή το Torlon®. Αυτά τα υποστηρίγματα χρειάζονται ακόμη αρκετή μηχανική αντοχή για να ανεχθούν θερμική συστολή, κραδασμούς και σεισμική φόρτιση κατά τη λειτουργία.

Σε μεγάλες αποστάσεις μεταφοράς, η διαφορά μεταξύ της μόνωσης κενού και της μόνωσης αφρού γίνεται πολύ αισθητή. Ένα καλά συντηρημένο σύστημα κενού μπορεί να διατηρήσει σταθερή θερμική απόδοση για πολλά χρόνια, ενώ η μόνωση αφρού απορροφά σταδιακά την υγρασία από την ατμόσφαιρα. Μόλις η υγρασία εισέλθει στη δομή της μόνωσης και παγώσει, η θερμική απόδοση συνήθως μειώνεται με την πάροδο του χρόνου.

Σε πρακτικά συστήματα διανομής ημιαγωγών LN₂,σωληνώσεις με μόνωση κενούμπορούν να μειώσουν σημαντικά την εξάτμιση σε σύγκριση με τις παραδοσιακές γραμμές με μόνωση αφρού, ειδικά σε μεγάλες εξωτερικές διαδρομές ή σε κύριους συλλέκτες συνεχούς λειτουργίας.

Δυναμικό σύστημα αντλίας κενού

Ένα πρόβλημα με τα στατικά μανδύα κενού είναι ότι η ποιότητα του κενού μπορεί να επιδεινωθεί σταδιακά με την πάροδο των ετών λόγω έκλυσης αερίων, διείσδυσης ηλίου ή μικροσκοπικής διαρροής.

Για την αντιμετώπιση αυτού, μεγάλης διαμέτρουΣωλήνας με μόνωση κενούσυστήματα μπορούν να εξοπλιστούν με έναΔυναμικό σύστημα αντλίας κενούΤο σύστημα συνήθως περιλαμβάνει μια συμπαγή διάταξη στροβιλομοριακής ή σπειροειδούς αντλίας που επαναφέρει περιοδικά το δακτυλιοειδές κενό στην αρχική του κατάσταση σχεδιασμού.

Τα επίπεδα κενού παρακολουθούνται συνεχώς χρησιμοποιώντας μετρητές ψυχρής καθόδου. Η αντλία ενεργοποιείται μόνο όταν η πίεση αυξηθεί πέρα ​​από το επιθυμητό σημείο ρύθμισης, επομένως η κατανάλωση ενέργειας και οι απαιτήσεις συντήρησης παραμένουν σχετικά χαμηλές.

Σε ένα έργο αναβάθμισης εγκατάστασης ημιαγωγών στο Χσιντσού της Ταϊβάν, ένα ενεργά διαχειριζόμενο σύστημα άντλησης κενού επέτρεψε σε έναν παλαιωμένο συλλέκτη μεταφοράς LN₂ να ανακτήσει θερμική απόδοση κοντά στην αρχική του κατάσταση λειτουργίας χωρίς να διακοπεί η γραμμή παραγωγής. Για νέα έργα, η ενεργή συντήρηση κενού παρέχει επίσης στους χειριστές μεγαλύτερη εμπιστοσύνη στη μακροπρόθεσμη σταθερότητα της μόνωσης καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του συστήματος.

Σχεδιασμός Υλικών και Συστημάτων

Για εφαρμογές ημιαγωγών και εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας, ο εσωτερικός σωλήνας διεργασίας κατασκευάζεται συνήθως από ανοξείδωτο χάλυβα 304L ή 316L. Οι εσωτερικές επιφάνειες καθαρίζονται, καθαρίζονται και παθητικοποιούνται για να πληρούν τις απαιτήσεις λειτουργίας καθαρισμού με οξυγόνο και να ελαχιστοποιούν τον κίνδυνο μόλυνσης.

Το εξωτερικό περίβλημα μπορεί να χρησιμοποιεί βαμμένο ανθρακούχο χάλυβα ή ανοξείδωτο χάλυβα, ανάλογα με το περιβάλλον εγκατάστασης. Σε περιοχές δίπλα σε καθαρούς χώρους, τα εξωτερικά περίβλημα από ανοξείδωτο χάλυβα προτιμώνται συχνά για την αποφυγή διάβρωσης ή επιφανειακής μόλυνσης.

Η θερμική συστολή πρέπει επίσης να λαμβάνεται προσεκτικά υπόψη. Μια γραμμή μεταφοράς LN₂ μπορεί να συσταλεί κατά περίπου 2,5–3 mm ανά μέτρο μεταξύ της θερμοκρασίας περιβάλλοντος και της θερμοκρασίας λειτουργίας. Για την απορρόφηση αυτής της κίνησης, συνήθως εγκαθίστανται αντισταθμιστές διαστολής τύπου φυσητήρα σε υπολογιζόμενες θέσεις αγκύρωσης σε όλο το δίκτυο σωληνώσεων.

Όπου απαιτείται κίνηση ή ευελιξία,Εύκαμπτος σωλήνας με μόνωση κενούΤα συγκροτήματα χρησιμοποιούνται συνήθως. Τυπικές τοποθεσίες περιλαμβάνουν συνδέσεις δεξαμενών, συνδέσεις εξοπλισμού, διακλαδώσεις συλλεκτών και κινητές ολισθήσεις διεργασιών.

Αυτοί οι εύκαμπτοι σωλήνες χρησιμοποιούν έναν κυματοειδή εσωτερικό πυρήνα μαζί με ένα περίβλημα κενού και δομή MLI παρόμοια με τον άκαμπτο σωλήνα κενού. Τα σωστά σχεδιασμένα συγκροτήματα μπορούν να διατηρήσουν την ακεραιότητα του κενού μετά από επαναλαμβανόμενους κρυογονικούς θερμικούς κύκλους, αποτρέποντας παράλληλα τον εξωτερικό σχηματισμό πάγου που είναι συνηθισμένος σε μη μονωμένους πλεγμένους σωλήνες.

Βαλβίδες με μόνωση κενούκαιΔιαχωριστές Φάσεων

Η διαχείριση της διαρροής θερμότητας δεν περιορίζεται σε ευθύγραμμα τμήματα σωλήνων. Βαλβίδες καιδιαχωριστές φάσεωνπαίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στη διατήρηση σταθερών συνθηκών κρυογονικής ροής.

A Βαλβίδα με μόνωση κενούΣυνήθως χρησιμοποιεί ένα εκτεταμένο καπό και ένα σώμα με περίβλημα κενού για να διατηρεί τις κρίσιμες περιοχές στεγανοποίησης μακριά από εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό βοηθά στην αποφυγή παγώματος γύρω από το παρέμβυσμα του στελέχους και μειώνει την ανεπιθύμητη συμπύκνωση στο εσωτερικό της δομής της βαλβίδας.

Χωρίς μόνωση κενού, οι βαλβίδες μπορούν να μετατραπούν σε σημεία συγκέντρωσης διαρροής θερμότητας εντός του συστήματος. Στην υγροκρυογονική λειτουργία, αυτό μπορεί να δημιουργήσει τοπικές τσέπες ατμών, ασταθείς συνθήκες ροής ή συμβάντα υδραυλικού πλήγματος.

Για συστήματα διεργασιών ημιαγωγών, οι σφαιρικές βαλβίδες με εκτεταμένο κάλυμμα και οι σφαιρικές βαλβίδες με άνω είσοδο χρησιμοποιούνται συνήθως σύμφωνα με τις απαιτήσεις των ASME B31.3 και EN 13480.

A Διαχωριστής φάσης με μόνωση κενούΧρησιμοποιείται για την απομάκρυνση του αερίου ανάφλεξης πριν το υγρό εισέλθει σε ευαίσθητο εξοπλισμό κατάντη. Σε εφαρμογές ημιαγωγών, η ασταθής διφασική ροή μπορεί να δημιουργήσει διακυμάνσεις πίεσης αρκετά μεγάλες ώστε να ενεργοποιήσουν συναγερμούς διεργασίας ή αλληλοσυνδέσεις εξοπλισμού.

Τα περισσότερα σχέδια διαχωριστών χρησιμοποιούν μια εφαπτομενική είσοδο μαζί με μια εσωτερική δομή αποθάμβωσης για τη βελτίωση της απόδοσης διαχωρισμού ατμών-υγρών. Σε πολλά έργα, ο διαχωριστής συνδυάζεται με μια μίνι δεξαμενή εγκατεστημένη κοντά στο δάπεδο της διεργασίας. Η μίνι δεξαμενή λειτουργεί ως τοπικός όγκος buffer που βοηθά στη σταθεροποίηση των βραχυπρόθεσμων διακυμάνσεων της ζήτησης χωρίς να εισάγει σημαντικό πρόσθετο θερμικό φορτίο.

Παράδειγμα έργου ημιαγωγών

Ένα έργο επέκτασης εγκαταστάσεων DRAM στη Νότια Κορέα απαιτούσε ένα νέο δίκτυο διανομής LN₂ που θα εξυπηρετούσε εξοπλισμό δοκιμών με ψύξη με εμβάπτιση και εργαλεία επεξεργασίας πλακιδίων.

Η εγκατάσταση περιελάμβανε περίπου 180 μέτρα άκαμπτου σωλήνα με μόνωση κενού, συνδεδεμένου με πολλαπλούς κλάδους εργαλείων μέσω συγκροτημάτων εύκαμπτων σωλήνων με μόνωση κενού. Ένας διαχωριστής φάσεων με μόνωση κενού και μια μίνι δεξαμενή 2 m³ εγκαταστάθηκαν κοντά στον χώρο αποθήκευσης χύδην.

Το σύστημα δυναμικής αντλίας κενού διατήρησε την δακτυλιοειδή πίεση κάτω από 5×10⁻⁶ mbar στις κύριες γραμμές μεταφοράς 6 ιντσών.

Κατά τη θέση σε λειτουργία, η μετρούμενη διαρροή θερμότητας στον κύριο συλλέκτη ήταν κατά μέσο όρο περίπου 1,3 W/m υπό σταθερές συνθήκες λειτουργίας. Μετά από ένα έτος συνεχούς λειτουργίας, οι περιοδικοί κύκλοι ανάκτησης κενού διατήρησαν την απόδοση της μόνωσης κοντά στην αρχική βασική κατάσταση.

Σε σύγκριση με την προηγούμενη ιδέα μονωτικού με αφρό, η εγκατάσταση ανέφερε αισθητά χαμηλότερες απώλειες υγρού αζώτου και βελτιωμένη σταθερότητα λειτουργίας. Τα αρχεία καταγραφής διεργασιών δεν έδειξαν επίσης συμβάντα μόλυνσης σχετιζόμενα με την υγρασία που να σχετίζονται με την υποβάθμιση της μόνωσης.

Εφαρμογές

Τα κρυογονικά συστήματα μεταφοράς με μόνωση κενού χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή ημιαγωγών, στις υποδομές LNG, στη βιομηχανική διανομή αερίου και σε εφαρμογές υγρού υδρογόνου.

Αν και τα λειτουργικά περιβάλλοντα διαφέρουν, ο στόχος της μηχανικής παραμένει ο ίδιος:

• διατηρήστε τη σταθερότητα του κενού
• ελαχιστοποιήστε την εισροή θερμότητας
• διατηρήστε τη σταθερότητα φάσης καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας μεταφοράς

Ο σχεδιασμός του συστήματος ακολουθεί συνήθως διεθνή πρότυπα όπως τα ASME B31.3, EN 13480 και ISO 21029, ανάλογα με το εύρος του έργου και τις περιφερειακές απαιτήσεις.

Για τις εγκαταστάσεις ημιαγωγών, η απόδοση του κρυογονικού συστήματος διανομής επηρεάζει άμεσα την λειτουργική απόδοση, την κατανάλωση υγρών και τη μακροπρόθεσμη αξιοπιστία της διεργασίας. Εξαιτίας αυτού, οι σωληνώσεις, οι βαλβίδες, οι διαχωριστές και τα συστήματα συντήρησης κενού θα πρέπει να σχεδιάζονται ως ένα ενιαίο ολοκληρωμένο θερμικό σύστημα και όχι ως ανεξάρτητα εξαρτήματα.

At HL Cryogenics, συνεργαζόμαστε με εργολάβους EPC, εταιρείες φυσικού αερίου και εγκαταστάσεις ημιαγωγών για την ανάπτυξη λύσεων κρυογονικής μεταφοράς με βάση τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, τους στόχους θερμικού φορτίου και τις απαιτήσεις εγκατάστασης αντί για τις τυπικές διαμορφώσεις καταλόγου.

Εάν σχεδιάζετε ένα νέο έργο κατασκευής ημιαγωγών ή αναβαθμίζετε ένα υπάρχον δίκτυο διανομής LN₂, η ομάδα μηχανικών μας μπορεί να σας βοηθήσει να αξιολογήσετε την απόδοση διαρροής θερμότητας, τη στρατηγική κενού και τη διαμόρφωση του συστήματος για μακροπρόθεσμη λειτουργία.