IT9019904A1

IT9019904A1 - Metodo per determinare la fine della vita utile di un purificatore di gas e relativa apparecchiatura

Info

Publication number: IT9019904A1
Application number: IT019904A
Authority: IT
Inventors: Carolina Solcia; Marco Succi
Original assignee: Getters Spa
Priority date: 1990-03-30
Filing date: 1990-03-30
Publication date: 1991-09-30
Also published as: IT1239900B; EP0449791A3; JP2951027B2; DE69116712T2; JPH05209908A; IT9019904A0; US5172066A; EP0449791B1; DE69116712D1; EP0449791A2

Description

"METODO PER DETERMINARE LA FINE DELLA VITA UTILE DI UN PURIFICATORE DI GAS E RELATIVA APPARECCHIATURA"

RIASSUNTO

Viene descritto un procedimento, basato su misurazioni di resistenza elettrica, ed un'apparecchiatura che realizza tale procedimento, per indicare il momento in cui un purificatore di gas sta per perdere il grado richiesto di efficacia di purificazione. Il purificatore di gas può quindi essere sostituito prima che i livelli di impurità del suo gas purificato in uscita raggiungano valori indesiderabilmente elevati.

La presente invenzione riguarda un metodo per determinare la fine della vita utile di un purificatore di gas, nonché l'apparecchiatura relativa.

E' noto che in molti processi industriali vengono usati gas. Alcuni di questi processi, come la fabbricazione di dispositivi semiconduttori, richiedono che questi gas siano di purezza estremamente elevata. Qualsiasi traccia di gas presente come impurezza dev’essere attualmente contenuta in un ordine di grandezza di alcune parti per miliardo in rapporto al gas di lavoro (cioè alcune parti di impurezza contro 10 parti del gas di processo).

Per raggiungere questo basso livello di impurezza vengono impiegati "purificatori di gas". Nell'industria dei semiconduttori sono ampiamente utilizzati "purificatori di gas inerti". Con questo termine si intende un purificatore di gas rari He, Ne, Ar, Kr e Xe, nonché N . Tali purificatori di gas inerti sono stati descritti, per esempio, nelle domande di brevetto britanniche pubblicate nn. 2.177.079 e 2.177.080. Si veda anche la domanda di brevetto italiana N°22073 A/88 a nome della stessa richiedente.

Benché questi purificatori di gas inerte siano molto efficaci nel mantenere i livelli di impurezza del gas in uscita ai bassissimi valori richiesti, ad un certo momento essi iniziano a perdere la loro capacità di asportare le impurezze gassose. I gas di processo diventano così meno puri ed i dispositivi semiconduttori prodotti iniziano a mostrare un numero eccessivo di difetti e devono quindi essere scartati. Questi scarti possono essere estremamente costosi, specialmente quando si consideri che la fabbricazione di dispositivi semiconduttori richiede l'utilizzo di tecnologie nell’ordine del micron o anche più fini (del sub-micron).

E' quindi essenziale garantire che i livelli di impurezza del gas di processo stiano al di sotto dei limiti richiesti.

Sono noti attualmente alcuni metodi per rilevare il livello di impurezza in questi gas di lavoro. Un metodo è quello di registrare continuamente il livello di presenza di ciascuna impurezza gassosa. Ciò richiede tuttavia un'attrezzatura estremamente specializzata ed un personale altamente qualificato. Un altro metodo è quello di misurare la quantità di gas che ha attraversato il purificatore e, ipotizzando un contenuto noto di impurezza, calcolare quando il purificatore di gas dovrebbe incominciare a perdere la sua efficacia di purificazione. Purtroppo il livello di impurezza del gas da purificare può variare in modo sconosciuto generando errori nel calcolo con la conseguenza che l'utilizzo del purificatore può continuare anche se esso ha raggiunto il termine della sua vita utile. Sono stati proposti altri metodi basati sui cambiamenti delle proprietà fisiche del materiale per l'assorbimento dei gas che costituiscono le impurezze come, per esempio, un cambiamento di colore.

D'altra parte, quando per esempio la purificazione del gas avviene per mezzo di materiali getter metallici, può mancare qualsiasi indicazione di cambiamento di colore.

Anche la domanda di brevetto italiano N°19012 A/90 a nome della stessa richiedente descrive un metodo per determinare la fine della vita utile di un purificatore di gas inerte basato su cambiamenti nella differenza di pressione attraverso il purificatore stesso, ed in particolare su un aumento della caduta di pressione allorché il purificatore si avvicina al termine della sua vita utile, vale a dire l'efficacia di purificazione sta per raggiungere un livello insufficiente. Purtroppo questo metodo basato su una differenza di pressione richiede l'impiego di costosi strumenti di misurazione della pressione e di circuiti elettronici, impiego che può essere giustificato soltanto per impianti di purificazione di gas su larga scala.

Quando si richiedono impianti di purificazione di gas di dimensioni ridotte ad un costo non troppo elevato, con un portata di gas purificato inferiore a circa 10 l/min, è necessario avere un'indicazione ugualmente affidabile sull'approssimarsi del termine della vita per il purificatore di gas, ma ad un costo relativamente ridotto.

Ef quindi uno scopo della presente invenzione fornire un metodo perfezionato e la relativa apparecchiatura per indicare il momento in cui un purificatore di gas, non necessariamente inerte, non è più in grado di fornire il livello di efficacia di purificazione richiestogli, e sia esente da uno o più degli svantaggi dei purificatori di gas noti.

E' pure un altro scopo della presente invenzione quello di fornire un metodo perfezionato e l'apparecchiatura relativa per indicare quando un purificatore di gas non è più in grado di fornire il livello di efficacia di purificazione richiestogli, che non richieda 1'impiego di apparecchiature estremamente specializzate e/o di personale altamente qualificato, senza influenze dovute a variazioni sconosciute del livello del gas da purificare, che sia basato su un cambiamento fisico delle proprietà del materiale che assorbe le impurezze gassose, tale che possa essere misurato in modo non soggettivo, a costi ridotti.

Il metodo secondo la presente invenzione e la relativa apparecchiatura sono basati sulla misurazione della resistenza elettrica fornita dal purificatore e misurata tra un punto all’interno del materiale per l'assorbimento delle impurezze gassose e l’involucro dell’assorbitore stesso.

Altri scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari agli esperti nel ramo con riferimento alla seguente descrizione ed ai disegni in cui:

la FIGURA 1 è uno schema di principio atto a rappresentare il metodo della presente invenzione; la FIGURA 2 è una rappresentazione schematica di una forma realizzativa di apparecchiatura secondo la presente invenzione;

le FIGURE 3a e 3b sono rappresentazioni generiche dei risultati ottenuti impiegando l'apparecchiatura rappresentata in Fig. 1; e

la FIGURE 4 è un grafico che mostra i risultati pratici ottenuti attraverso l'impiego di un'apparecchiatura secondo la Fig. 2.

Allorché materiali come metalli o leghe metalliche in polvere sciolta o in forma compressa assorbono gas si determinano delle trasformazioni nei loro grani, sia relativamente alle loro dimensioni, sia da un punto di vista chimico. Si ha infatti generaimente un aumento della granulometria con un effetto complessivo di aumento del volume occupato dalla polvere. Inoltre gli stessi grani metallici o di lega metallica assorbendo le impurezze gassose formano composti del tipo ossidi, nitruri, etc. (a seconda delle impurezze) e subiscono variazioni nelle caratteristiche chimiche. In ogni caso si ha come conseguenza un aumento della resistenza elettrica offerta dal materiale assorbitore di gas.

Si è quindi pensato di utilizzare tale variazione di resistenza elettrica per indicare il momento in cui un purificatore di gas sta per raggiungere il termine della sua vita utile. Si ritiene d'altra parte che il gas da purificare non debba essere necessariamente inerte, ma per esempio possa essere idrogeno o altro gas, in quanto il summenzionato effetto sulla resistenza elettrica dipende dalle impurezze assorbite più che dal gas principale che fluisce attraverso il purificatore.

La presente invenzione intende fornire un'apparecchiatura per determinare la fine della vita utile di un purificatore di gas che ha un ingresso del gas impuro in comunicazione di fluido con un involucro contenente un materiale atto ad assorbire gas, detto involucro essendo in comunicazione di fluido con un'uscita del gas purificato.

Come rappresentato in Fig. 1, il metodo secondo la presente invenzione si basa sulla schematizzazione del materiale purificatore con una resistenza elettrica variabile, di valore crescente all'aumentare della concentrazione delle impurezze gassose da esso trattenute. Vantaggiosamente la misurazione di tale resistenza può avvenire, secondo la presente invenzione, misurando l'intensità di corrente che attraversa il purificatore e la differenza di potenziale ai suoi capi allorché una tensione di valore prefissato viene applicata tra l'involucro del purificatore ed un punto fisso all'interno del materiale, in serie ad una resistenza predeterminata.

In Fig. 1 è stata indicata con .R^, la resistenza nota, limitatrice della corrente I che attraversa il purificatore e con R il valore di resistenza di quest'ultimo, da determinare. Al sistema viene applicata una tensione V, ed una d.d.p. V viene misurata tra l'involucro del purificatore e detto punto fisso al suo interno.

Si ha la relazione I(R 141)=V. Dalla misurazione di I e dalla differenza di potenziale V si ottiene il valore cercato di R da una delle seguenti relazi

V

R -Rf oppure R x.

x V:l

x 10-V

In questo secondo caso naturalmente invece di V ai x

capi del purificatore potrà essere misurata la differenza di potenziale ai capi della resistenza fissa R , tenendo conto che tale valore è complementare di V alla tensione complessiva fornita V.

x

Con riferimento alla Fig. 2 viene mostrata una rappresentazione schematica 100 utile a descrivere la presente invenzione. Vi si mostra un'apparecchiatura 102 per determinare la fine della vita utile di un purificatore di gas, collegata ad un purificatore di gas 104, rappresentato in sezione. Il purificatore 104 ha un ingresso 106 del gas impuro in comunicazione di fluido con un involucro 108 che contiene un materiale assorbitore di gas 110. L'involucro 108 è anche in comunicazione di fluido con un'uscita 112 del gas purificato. L'apparecchiatura 102 è provvista di mezzi 114 costituiti da un circuito per misurare la resistenza R tra l'involucro 108 del purificatore 104 ed un punto 116 all'interno del materiale assorbitore 110. Detti mezzi 114 sono costituiti da un circuito che realizza lo schema illustrato in Fig. 1 attraverso l'impiego di un elettrodo 118 isolato dall'involucro 108 mediante un tubo passante di ceramica 120. Tra l'elettrodo 118 ed un punto qualsiasi (nel caso rappresentato è indicato con 122) dell'involucro 108 viene applicata una differenza di potenziale per mezzo di una sorgente di tensione continua V attraverso una resistenza fissa limitatrice R^,. Gli strumenti di misura possono consistere per esempio in un amperometro 124 in serie per misurare l'intensità di corrente I ed un voltmetro in parallelo 126 per la misurazione della tensione V .

Applicando le relazioni riportate in precedenza con riferimento alla Fig. 1 si ottengono i valori richiesti di R^ tra il punto 116 e 1'involuro 108.

Facendo ora riferimento alle Figg. 3a e 3b, vengono mostrati due grafici in cui il grafico 200 riporta una curva 202 che indica l'andamento della resistenza elettrica R durante la purificazione di un gas in funzione del tempo. Il grafico 204 riporta una curva 206 che mostra l'andamento del livello di impurezza nel gas purificato all'uscita del purificatore in funzione del tempo.

Si vede dalla curva 202 che durante la purificazione la resistenza R misurata inizialmente rimane pressoché costante e pari ad un valore R fino ad un istante (cui corrisponde una quantità di impurezze assorbite Q ) indicato dalla linea 208, oltre il quale la resistenza elettrica misurata cresceva continuamente .

Come si vede dalla curva 206 di Fig. 3b il livello di impurezza del gas purificato rimane sostanzialmente costante, ad un livello inferiore ad un livello critico di impurezza I , indicato dalla linea 210, al di sopra del quale il gas purificato viene considerato non abbastanza puro per il processo in cui esso viene usato. Tuttavia, dopo l'istante T (cui corrisponde una quantità di impurezze assorbite Q ), come indicato dalla linea 212, il livello di impurezza del gas purificato inizia ad aumentare. Ciò avviene in corrispondenza di una resistenza elettrica R indicata dalla linea 214. Allorché viene purificato ancora più gas, il livello di impurezza del gas purificato continua ad aumentare fino a raggiungere il valore critico I ad un istante T (che corrisponde ad una quantità Q di impurezze assorbite), come indicato dalla linea 216. Ciò corrisponde a sua volta alla resistenza Rc, come indicato dalla linea 218.

Pertanto quando la resistenza tra l'involucro 108 del purificatore ed un punto 116 fisso all'interno del materiale 110 ha raggiunto il valore Rc, il purificatore si trova al termine della sua vita utile .

In pratica i mezzi utilizzati nel circuito 114 per misurare la resistenza R^ possono essere qualsiasi mezzo capace di dare un'indicazione di tale valore ma sono preferibilmente misuratori 124, 126 rispettivamente della corrente I che fluisce nel circuito 114 e della tensione VX tra punto 116 ed involucro 108, in pratica un normale amperometro e voltmetro rispettivamente. Potrebbe eventualmente essere previsto un dispositivo elettrico o elettronico che dia una misura diretta della resistenza R in termini di segnale elettrico. Quest'ultimo segnale elettrico può allora essere utilizzato per fornire un'indicazione sonora o visiva, in corrispondenza di un valore limite prefissato di R =R , che il purificatore ha raggiunto il termine della sua vita utile. Il segnale potrebbe anche essere utilizzato per attivare una o più valvole così da interrompere il flusso di gas che viene purificato o effettuare qualsiasi altra operazione desiderabile o necessaria allorché il purificatore è giunto al termine della sua vita utile.

Si comprenderà che il valore prefissato di resistenza R considerato corrispondente ad un utilizzo limite del purificatore sarà uguale al valore R determinato dalle Figg. 3a e 3b. Potrebbe comunque venire impiegato un valore di R inferiore a R allo scopo di fornire un margine di sicurezza per garantire che il livello di impurezza del gas purificato stia ben al di sotto del livello critico di impurezza 1^,. Per esempio si potrebbe scegliere un valore di R che soddisfi la seguente relazione:

P

R <R <R .

b p c

Il valore di R dipende dalla geometria dell'in-P

volucro 108 del purificatore di gas, dalla forma fisica del materiale 110 che assorbe il gas, dal punto 116 dove viene rilevata la resistenza R e da altri fattori e può essere determinato sperimentalmente a priori.

Il metodo della presente invenzione per determinare la fine della vita utile di un purificatore di gas avente un ingresso del gas inerte impuro in comunicazione di fluido con un involucro contenente un materiale assorbitore di gas, detto involucro essendo in comunicazione di fluido con un'uscita del gas purificato, comprende le fasi di misurare la resistenza R^ tra un punto predeterminato qualsiasi all'interno del materiale 110 assorbitore di gas e l'involucro 108 dell'assorbitore in qualsiasi modo noto, per esempio attraverso misurazioni di corrente o tensione come indicato in precedenza e confrontare R con un valore di resistenza prefissax

to R e segnalare quando R 1⁄2R per indicare che il P x p

purificatore di gas inerte ha raggiunto il termine della sua vita utile.

ESEMPIO

Un purificatore di gas sotto forma di un cilindro in acciaio inossidabile avente un diametro esterno di 2,5 cm ed una lunghezza di 14 cm viene riempito con 140 g di pillole cilindriche di materiale assorbitore di gas, aventi ciascuna 3 mm di diametro ed una lunghezza di 4 mm. La composizione delle pillole era una lega di composizione nominale 70% Zr-24,6% V-5,4% Fe ( in peso). Il purificatore comprendeva un tubo di ingresso del gas impuro ed un tubo di uscita del gas purificato, mentre un dispositivo riscaldatore a resistenza avvolto intorno ad esso manteneva la sua temperatura (e delle pillole) a 400°C. All'interno del purificatore era inserito un elettrodo costituito da un filo d'acciaio avente un diametro di 1,2 mm alloggiato in un tubo di ceramica e collegato ad un circuito come illustrato in Fig. 2, con Rf=l4l ohm e tensione di alimentazione V=10 volt. Erano anche previsti un amperometro ed un voltmetro commerciali collegati come mostrato in Fig. 2.

All'ingresso del purificatore venne collegata una bombola di gas argo avente un contenuto di impurezze costituite da: H^: 9,3 ppm; 0 9,8 ppm; N^: 11,3 ppm; 10,2 ppm; CO: 10,5 ppm; CO^: 10,3 ppm dalla quale fluiva un flusso di gas di 50.10

l/min. Allo scopo di eseguire una prova accelerata di vita del purificatore, il flusso di argo impuro venne miscelato con una corrente di ossigeno avente

-3

la portata di 0,31-10 l/min, corrispondente a circa 6000 ppm, vale a dire una quantità enorme di impurezza, preponderante rispetto a quella propria dell'argo come sopra riportata.

La Fig. 4 rappresenta una curva ricavata indicando i valori di resistenza elettrica R determinati sperimentalmente tra il suddetto elettrodo e l'involucro del purificatore in funzione del tempo. Non si nota in questo caso un sensibile andamento iniziale quasi orizzontale della curva, come invece era presente nella curva 202 di Fig. 3a, a causa della quantità enorme di impurezza 02 immessa nel flusso di gas da depurare, che provoca un aumento quasi immediato della resistenza a causa dell'adsorbimento. Il tempo come definito in precedenza con riferimento alla Fig. 3a, in questo caso sembra essere inferiore a 5 ore. Si è riscontrato al termine della prova un aumento della resistenza R^ da 0 a 1265 ohm in circa 150 ore, dopo l'assorbimento di 133 torr 1/g di 0^» come sono stati misurati dal-1 'elettrodo-sonda nella zona interessata di materiale assorbitore. Risultati quantitativamente differenti si ottengono con una diversa disposizione dell'elettrodo, ma l'andamento della curva è qualitativamente simile con un aumento continuo della resistenza elettrica misurata dopo assorbimento di una certa quantità di 0^ (prevalente rispetto ad altre impurezze in questo caso). L'aumento di resistenza elettrica Ηχ, come sopra definito, è quindi sempre notevole e perfettamente misurabile prima che le impurezze del gas in uscita raggiungano livelli elevati in modo inaccettabile. Può essere scelto un valore di tale resistenza per indicare il termine della vita utile del purificatore quando questo venga fornito già equipaggiato con un determinato elettrodo-sonda avente caratteristiche prefissate.

Benché l'invenzione sia stata descritta in modo notevolmente particolareggiato con riferimento a certe forme realizzative preferite, destinate ad insegnare agli esperti nel ramo come meglio mettere in pratica l'invenzione, si comprenderà che altre modifiche potranno essere adottate senza allontanarsi dallo spirito e dall'ambito dell'invenzione stessa. Per esempio l'elettrodo 118 potrebbe essere inserito sul lato di uscita del gas dal purificatore anziché su quello di ingresso, come rappresentato in Fig. 2 e la resistenza R^ potrebbe essere inserita da parte opposta del generatore di tensione V, rispetto a come rappresentato.

Claims

RIVENDICAZIONI 1 . Apparecchiatura per determinare la fine della vita utile di un purificatore (104) di gas, avente un ingresso (106) del gas impuro in comunicazione di fluido con un involucro (108) contenente un materiale (110) metallico o in lega metallica, atto ad assorbire gas, detto involucro essendo in comunicazione di fluido con un'uscita (112) del gas purificato, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi (114) per misurare la resistenza (R^) tra un punto prefissato (116) all'interno di detto materiale (110) e l'involucro (108).
2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti mezzi (114) consistono in un circuito comprendente una sorgente di tensione elettrica continua (V) collegata da un lato ad un punto (122) dell'involucro (108) ed all'altro lato a detto punto prefissato (116), su uno di detti lati essendo inserita una resistenza di valore prefissato (R ) ed essendo previsti mezzi (124, 126) per misurare i valori di corrente e tensione in detto circuito (114).
3* Apparecchiatura secondo la rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto di comprendere un amperometro (124) in serie su detto circuito (114) ed un voltmetro (126) collegato in parallelo tra detti punti (116) e (122), il valore di resistenza (R ) x essendo dato da una relazione del tipo R V R = f x oppure R =V-R„, x x γ f dove I è la corrente che fluisce nel circuito (114) misurata in (124) e V è la tensione misurata dal x voltmetro (126).
4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzata dal fatto che detto punto prefissato (116) è collegato a detto circuito (114) per mezzo di un elettrodo (118) passante attraverso l'involucro (108) del depuratore (104) mediante un manicotto isolante (120).
5. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che detto manicotto isolante è costituito da un elemento tubolare (120) di ceramica che si estende per tutta la lunghezza del l'elettrodo (118) lasciando libere soltanto le due estremità esterna, inserita nel circuito (114) ed interna, immersa nel materiale (110) in corrispondenza di detto punto (116).
6. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere mezzi per la misurazione diretta del valore di resistenza (R ) e mezzi per il suo confronto con un valore limite prefissato (R ) al di sopra del quale il purificatore ha raggiunto il termine della sua vita utile .
7. Metodo per determinare la fine della vita utile di un purificatore di gas avente un ingresso del gas impuro in comunicazione di fluido con un involucro contenente' un materiale assorbitore di gas, detto involucro essendo in comunicazione di fluido con un'uscita del gas purificato, caratterizzato dal fatto di comprendere le fasi di misurare la resistenza elettrica (R ) tra un punto prefissato all'interno di detto materiale assorbitore di gas e detto incolucro; e confrontare (R ) con un valore prefissato di resistenza (R^) e segnalare quando R 1⁄2R per indicare che il purificatore del gas ha raggiunto il termine della vita utile.
8. Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che detta misurazione della resistenza elettrica avviene attraverso la misurazione di un valore di intensità di corrente e/o di tensione in un circuito elettrico che si richiude attraverso il materiale compreso tra detto punto prefissato all'interno di esso e l'involucro.