TW535196B - Gas delivery at high flow rates - Google Patents

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經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535196 A7 _B7 五、發明説明（彳） 發明領域 本發明關於高流速的氣體輸送，尤關於用於輸送高流 速的高純度半導體氣體之方法及系統。 發明背景 半導體製造業在將特殊氣體在高流速下輸送到使用點 之需求增加，傳統壓縮氣體貯存容器在其蒸汽壓力下於周 圍溫度下有液化氣體，由於蒸汽從容器中抽出，液體在等 速下蒸發，壓力因而降低，此舉消耗槽內剩餘液體的能源 ，若無傳送熱量給容器，液溫下降，導致蒸汽壓力相對降 低，進一步抽出蒸汽最後使液體過冷，蒸汽流速降低。 伴隨著液體過冷，快速抽出蒸汽以及對貯存容器的未 受控制熱傳亦引發在容器壁的劇烈沸騰，造成亞穩液體粒 滴轉化成汽態。此外，壓縮氣體貯存傳統來源輸送飽和蒸 汽，處理線路溫度之降低或流速限制導致凝結，蒸汽中出 現液滴對大多數設備爲有害，因此應將之降至最低。 因此問題在於在最小液體轉化及液體不會在過冷狀態 下輸送來自傳統來源之高蒸汽流速。 習用技術已揭示輸送來自傳統來源之高蒸汽流速之數 種方式，但沒有人教導或建議使用從貯存容器壁最佳熱傳 到液體之外部來源，也未使形成於生產線中之液滴降至最 少〇 美國第6， 1 2 2， 9 3 1號專利揭示一種將液化氣 體從貯存容器輸送到蒸餾塔且利用蒸餾器將超高純度蒸汽 本蛾*張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐^ 一 -4- 7 裝， ^ 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 535196 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（2 ) 輸送到使用點之系統，在使用液化氣體時涉及額外的處理 步驟。 美國第6， 0 7 6， 3 5 9號專利中揭示增加外界與 氣室內的氣缸之間之熱傳，其係改變氣室內的空氣流速， 並將散熱片增設在氣室內部，如此增強外界到氣缸之熱傳 ，所形成之流速相當低，然而，輸送流速之增加不足以符 合目前需求。 美國第5， 894， 742號專利揭示一種泵至蒸發 器之液化壓縮氣體，蒸發器在將氣體輸送到使用點之前將 液體轉換成蒸汽狀態，使用多個此種蒸發器（各對應一使 用點）允許經過輸送系統之高傳輸。 美國第5， 6 7 3, 5 6 2號專利揭示使用組裝了一 內部熱交換器之貯存容器，其維持液/氣界面的溫度，熱 係經由氣相輻射或傳導傳到界面。 美國第5， 6 4 4， 9 2 1號專利揭示從貯存容器抽 出的蒸汽之過熱，貯存容器容納以內部熱交換器加熱之液 化壓縮氣體，之後過熱蒸汽藉由使蒸汽通過浸在液體內的 加熱管而與液體進行熱交換，如此使蒸汽冷卻，並使液體 沸騰而在容器內維持最小蒸汽壓力，之後冷卻後的蒸汽輸 送到使用點。 上述專利中揭示的所有方法提供了經由外部來源供應 額外能量給液體之手段，然而，這些方法不適用現有壓縮 空氣貯存來源且需要額外設備，這些發明所需資金因而龐 大。另外，這些發明僅強調提供額外能量給系統之議題， 本紙張尺度適用中國國家標準（ CNS ) A4規格（210X297公着) ^ 批衣- 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -5- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535196 A7 B7 五、發明説明（3 ) 並無減少各種熱阻以允許最佳輸送系統運作之方法的教導 或建議。

Udischas R.等人在SEMICON WEST 2000氣體分配系統 工廠中提出’各種大量電子特殊氣體輸送法之性能及成本 比較”中比較壓縮氣體各種輸送系統之經濟效益，比較所 用的最大輸送流速爲氨每分鐘4 0 0標準升流動2小時（ s 1 p m )以及1 〇 〇 〇 s 1 p m氯化氫（H C 1 )流動 1小時。

Yucelen Β.等人在SEMICON WEST 2000氣體分配系統 工廠中提出”大量特殊氣體之高流速輸送系統，，中揭示從 外部加熱大容器可輸送高流速（高達1 5 〇 〇 s 1 p m ) ，該文件之焦點爲分析高流速蒸汽之溼氣轉化。 鑒於習用技術，實用需要一種方法及系統以（1 )協 助從目刖壓縮氣體貯存來源（氣缸及大型容器）在高速度 下以一外部熱源抽出蒸汽；（2 )提供一種允許從貯存容 器壁到液體的最佳熱傳之控制策略；以及（3 )發展一種 方法來輸送高蒸汽流速同時使形成於處理線路的液滴降至 最低。 發明槪沭 本發明一觀點針對一種控制貯存容器內的液化壓縮氣 體溫度之方法，包括：將液化壓縮空氣送入一貯存容器； 將一、溫度測量裝置固定在壓縮氣體貯存容器壁；將至少一 加熱裝置固定在貯存容器附近；以溫度測量裝置監視貯存 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇χ297公羡） 裝』 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -6- 535196 A7 B7 五、發明説明（4 ) 容器內之壓縮氣體溫度；以及調整加熱裝置對貯存容器內 之液化壓縮空氣之熱輸出。 在另一實施例中，本發明針對一種在蒸汽輸送期間維 持貯存容器內之液化壓縮氣體蒸發之方法，包括：將液化 壓縮高純度半導體氣體送入一貯存容器；將一溫度測量裝 置固定在貯存容器壁；將至少一加熱裝置固定在貯存容器 附近；以溫度測量裝置監視貯存容器內的壓縮氣體溫度； 將一壓力測量裝置固定在貯存容器的一出口；以壓力測量 裝置監視貯存容器內的壓縮氣體壓力；使一部分氣體流出 貯存容器；以及調整加熱裝置之熱輸出以維持在所需壓力 〇 在又一實施例中，本發明針對一種以高流速輸送液化 壓縮氣體之方法，包括：將液化壓縮高純度半導體氣體送 入一貯存容器；將一溫度測量裝置固定在壓縮氣體貯存容 器壁；將至少一加熱裝置固定在貯存容器附近；以溫度測 量裝置監視所形成之溫度；將一壓力測量裝置固定在貯存 容器的一出口並監視容器壓力；調整加熱裝置熱輸出以加 熱貯存容器內的液化壓縮氣體，俾控制貯存容器內的液化 壓縮氣體之蒸發；以及控制貯存容器來的氣體流動。 在再一實施例中，本發明針對一種以高流速輸送氨之 方法，包括：將高純度液化壓縮氨送入一大容器；將一熱 偶固定在大容器壁；將至少一加熱裝置固定在大容器附近 、監視熱偶；將一壓力傳感器固定在大容器出口，並監視 容器壓力；監視大容器內的液化壓縮氨之平均重量損失； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） Γ 多-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、·!' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -7- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535196 A7 B7 五、發明説明（5 ) 調整加熱裝置輸出溫度以加熱大容器內的液化氨；使液化 壓縮氨在對流及汽化沸騰機制下沸騰；在對流及汽化沸騰 機制下控制大容器內的液化壓縮氨之蒸發；以及控制大容 器來的氨之流動。 本發明亦針對一種以高流速輸送半導體處理氣體之系 統，包括：容納液化壓縮半導體處理氣體的一貯存容器、 固定在貯存容器壁的一溫度測量裝置；固定在貯存容器出 口的一壓力探針；固定在貯存容器附近的一加熱裝置，其 中溫度探針和壓力探針係用來調整加熱器輸出而加熱壓縮 氣體貯存容器內的液化壓縮半導體氣體，並使半導體能從 壓縮氣體貯存容器高流速流出；以及一閥裝置，用來控制 從貯存容器流出之半導體氣體流動。 貯存容器爲一氣缸或大容器，液化氣體可爲氨、氯化 氫、溴化氫、氯或全氟代丙烷，溫度測量裝置一般爲熱偶 ，加熱裝置爲陶瓷加熱器、加熱套或一熱流體熱傳裝置。 文中”高流速”一詞係指從本發明貯存容器流出之氣 體流速，爲了本發明之目的，”高流速，，一詞係指高於或 約5〇〇s 1 p m者。 文中之貯存容器系指容納本發明中液化氣體之任何容 器，爲了本發明之目的，貯存容器爲氣缸或大型容器，但 亦可爲目b B了存液化热體的其他型式貯存容器。 文中”附近”一詞係指緊鄰位置，在至少一實施例中 ，”附近”係指加熱裝置靠近容器之位置。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（21〇、^^釐). 裝.------訂------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -8- 535196 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 --------- B7 ___ 五、發明説明（6 ) i^簡介 從以下較佳實施例說明及所附圖式，習於此技者將可 了解其他目的、特徵及優點，其中： 圖1爲本發明通過容器壁之熱傳槪示圖。 圖2爲液體典型沸騰曲線圖。 圖3爲本發明高蒸汽流速輸送之實驗性配置槪示圖。 圖4爲氨流速及表面溫度隨時間變化之槪示圖。 圖5爲輸送系統槪示圖。 圖6爲輸送系統流程圖。 圖7爲原型氨輸送系統槪示圖。 發明詳沭 本發明藉由將液體沸騰限制在自由對流及汽化沸騰機 制而允g午到貯存容器內的液化氣體之最佳熱傳，本發明提 供高達約1 8 0 k W m — 2的傳熱通量來輸送約1 〇 〇 〇 s 1 p m之氨，同時使液體溫度維持在室溫上下。其中一 實施例顯示在輸送約5 0 0 0 s 1 p m之氨時之傳熱通量 約爲9 3 · 5 k W m — 2，類似之傳熱通量及流速可應用於 其他類似半導體氣體且由這些氣體的特性決定。 本發明可在相當低的表面溫度下輸送高流速蒸汽，表 面溫度高於大量液體或周圍溫度不超過2 Ot。在相當低 的加熱器溫度下輸送高流速蒸汽可利用強化從加熱器到容 器的熱傳來進行。 本發明亦允許使用所有可用表面積以供外部熱源傳熱 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐1 ~ -9 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝， 、11 線 535196 A7 B7 五、發明説明（7 ) 到液相，諸如使用熱流體浴。一項控制策略允許在低表面 温度下達到並維持高蒸汽速度，並加強到液體之熱傳。此 外，本發明的系統及方法有潛力能在沒有任何額外設備下 利用容器內的蒸汽相過熱而減少蒸汽相之液滴，另亦提供 減少外部及內部熱傳阻力之手段。 在提出的系統中，系統外的一熱源用來供應能量而將 液體蒸發，熱源可爲加熱套或與容器直接接觸的熱流體。 若1爲熱流體（例如水或油），將容器浸在流體浴內提供阻 力最小之熱傳（見表1 )，若爲加熱套，加熱器設計爲較 高溫度以補償加熱器與容器之間之不佳接觸，如此允許足 夠能量傳到液體，即使加熱器/容器接觸功效隨著時間變 差，壓縮氣體容器的經常變化（在高流速下不可避免）會 降低接觸功效，此外，在各汽缸變化之後很難重現接觸， 在加熱套與容器之間使用導熱油脂或橡膠可進一步減少外 部接觸熱阻。 有一項控制策略被提出來將容器/液體接觸熱傳內部 勢阻，.降奪最小，此策略將液體蒸發限制在對流及汽化沸 騰機制，此目的之達成係利用監視與液體接觸的容器表面 溫度和容器壓力，表面溫度降低指示從熱源到容器之熱通 量小於給定流速下使液體蒸發所需能量，如此指出高外部 熱阻，升高熱源（熱源或加熱套）溫度預計增加熱通量。 表面溫度增加同時壓力降低指示從容器到液體的熱通量低 於液體蒸發所需能量，此指出蒸汽薄膜開始沸騰，因而增 加了內部熱阻，降低加熱器溫度預計可加強熱通量。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） ---------I 裝"-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -10- 535196 A7 B7 五、發明説明（8 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 同一熱源亦可用來將熱傳到汽相，由是造成過熱蒸汽 之輸送，此舉將氣相中的液滴數目降至最低，並減少使用 精密設備以防止蒸汽在處理線路凝結。過熱蒸汽提供汽相 中液滴蒸發所需能量，過熱蒸汽亦補償通過流動限制之冷 卻，將蒸汽凝結降到最低。 本發明不需使用新穎貯存容器，且可輸送從傳統壓縮 氣體貯存容器來的大範圍蒸汽流速，因而降低資金投資並 符合客戶需求。本發明提出的策略將液體蒸發控制在對流 及汽化蒸發機制，因而增加熱傳速率，給定溫度下增加的 熱通量導致高流速輸送之最佳方法。 本發明基礎與在流速F下輸送蒸汽時在壓縮氣體容器 內的液體能量平衡有關，如方程式（1 )所示： mCpL3=Q-FAHD ⑴ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 蒸發所需能量F △ H V a p ( P s a t )來自可偵測的熱損耗 (液體溫度下降T k )或從熱源來之熱傳（Q )，△ H v a p (P s a t )爲在飽和壓力p s a t下蒸發之潛熱，m代表液 體質量，而CPlj爲其熱容。 爲了維持一定液體溫度（d T t / d t = 〇 )，傳給液 體之熱必須等於給定流速下蒸發所需能量。熱傳來源可爲 外部加熱器或外界。從熱源來的熱傳速率取決於可用表面 積（A )、總熱傳速率（u )以及熱源與液體（T。一 T ^ )之溫差，如方程式（2 )所示： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -11 - 535196

A B 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（9 ) Q = UA (T〇 - Tl) 圖1槪示通過容器壁截面從熱源到液體之熱傳阻力， 圖中T。，T W ◦ u t，T w i η和分別代表熱源、容器外 檗、容器內壁及液體溫度，總熱傳係數U、熱源到容器的 熱傳係數h。u t，容器壁導熱率k w ,以及壁到液體的熱傳 係數h , η關係如下： 」二 1 [_1 | ln(ro/e) Ιπτ^ ^~lTjk^L (3) 方程式（3 )假設長圓柱形貯存容器長度爲L，內徑爲T L ，外徑爲r。，對給定容器而言，因導熱率而引起的熱阻（ In (rQ/ri)/C2/\kwL))爲固定，然而，內 熱阻（1 / ( 2 △ r i L h ^ n ))及外熱阻（ 1 / ( 2 △ r。L h。u t )取決於操作參數及熱源。不同狀 況之典型熱阻値見表1。 表1爲依據圖] L之熱阻比較表。 壁阻 外熱阻 內熱阻 Hr〇/ri) 1 ίι〇-^1 1 2nkwL 2^oLhout V W) - 10 — 2πηυιίη、 W) 周圍空氣 熱水 自由對流 汽化沸騰薄膜沸騰 1 1000 15 7 0.7 14 表中列舉之値係用於外徑2 4吋且壁厚〇 . 5英吋之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ϋ 11 n ϋ 1^. I 11 _ 11、1TI 11 n ϋ 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -12- 535196 A7 B7 五、發明説明（10 ) 合金鋼製大容器而計算，受熱長度假設爲5英尺，爲了這 些計算，使用的周圍溫度爲2 1 °C，水溫爲2 7 °C。爲了 內熱阻，使用氨在周圍溫度之性質。用來計算熱傳係數之 相關數係取自1 9 9 9年 McGraw-Hill出版 Perry's

Chemical Eugineers Handbook第七版第5章”熱與質量傳 遞”。 表1示出停滯的周圍空氣爲外熱阻最大者，使用上述 方程式中之値可看出從周圍空氣來之熱傳僅足以輸送約7 s 1 p m之氨而沒有顯著液體過冷，此計算假設液體溫度 因過冷而下降1 0 °C。在缺乏外部熱源之下，從周圍來之 熱傳限制了液體蒸發速率，爲了得到高蒸汽流速但不致引 起液體過冷，可使用例如加熱套或熱流體浴之外部熱源， 二者在業界均爲習知。此外，本發明之加熱裝置亦可包括 其他陶瓷加熱器或其他適當裝置以及提供熱給容器的業界 已知方法。使用熱水浴可明顯地降低外熱阻，如表1所示 ，若爲加熱套，熱阻將取決於加熱套與容器之間的接觸， 加熱套與容器之間出現氣隙將降低熱傳，因爲空氣作用有 如一絕熱器，然而，較高加熱套溫度可補償加熱器與容器 之間的不佳接觸，將導致流體置於加熱器與容器之間亦可 加強熱傳。 如上所述，總熱傳係數亦取決於內熱阻，而內熱阻係 數取決於壁與液體之溫差以及液體沸騰特性，一般言之， 沸騰前特性可分爲四種機制，如圖2所示之典型沸騰曲線 ，沸騰曲線爲每單位面積之熱通量（Q / A )對壁與液體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X：297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 535196 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（11 ) 溫差（T w i η - T L )之對數/對數圖。四種機制爲自由 對流沸騰，汽化沸騰、蒸汽薄膜沸騰、及輻射沸騰，曲線 頂部圖式代表各機制特性。在自由對流沸騰中，在熱壁附 近的受熱液體因自由對流液流上升，並在汽/液界面蒸發 。在汽化沸騰機制中，蒸汽氣泡形成於容器壁，並上升到 液/氣界面而不凝結在大量液體中。當溫差增加，氣泡在 壁面結成並形成一蒸汽膜，稱爲薄膜沸騰，雖然此機制中 之溫差較大，熱傳速率低於汽化沸騰。當溫差更大，壁溫 大幅上升，導致輻射熱傳，在此機制中，到液體的熱通量 因溫差變大而再度增加，然而此機制實際加熱用處小，因 爲壁溫（高於1 0 0 0 °c )接近傳統容器熔點。 氨之不同沸騰機制中的熱阻典型値列於表1中，在因 液相低熱阻所形成的相當大溫差（T W ^ η - T t )下從自 由沸騰與汽化沸騰機制得到高熱傳速率。在薄膜沸騰機制 中，蒸汽膜作用如同一絕熱器，其因汽相中的較高熱阻而 減少了到液體之熱通量，顯示要輸送從壓縮氣體容器來之 高蒸汽流速的話，必須利用降低總熱阻來增加蒸發率。蒸 發用之能量可由外部熱源供應，可藉由控制液體沸騰在自 由對流或汽化沸騰機制而得到低內熱阻。 從傳統壓縮氣體源送來的蒸汽飽和，因爲它與出現在 容器內的液體呈平衡狀態。在處理管路中，蒸汽可因處理 線的低溫或跨越流動限制的膨脹期間的溫降而得以冷卻， 飽和蒸汽溫降將導致凝結，出現液滴可能對設備有害，提 供能量給蒸汽來補償任何冷卻效果可將液滴之形成降到最 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇〆297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝- 訂 -線- -14- 535196 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（12 ) 低。 進行實驗以評估使用大容器輸送高流速氨之可行性， 這些實驗是用來建立蒸汽流速與表面溫度之間的關係。 測試大容器之實驗設備見圖3，實驗使用裝了 5 3〇 磅的氨之4 1 3 0X型合金鋼製大容器，並使用1 2個陶 瓷加熱器來控制大容器表面溫度，加熱器爲尺寸爲1英吋 X 1英吋覆蓋一連續加熱絲的陶瓷方格網，各陶瓷網尺寸 爲6英吋X19 .5英吋，且功率爲3.6kW。這些加 熱器間隔爲1英吋，且沿網長度四個綁成一組，其中三組 沿容器長度並排設置。加熱器頂部使用一英吋厚的絕熱層 ，整個總成利用鋼絲夾在大容器底部，加熱安排涵蓋大容 器總表面積的2 5 %。 表面溫度利用呈鋸齒狀分布在受熱表面的熱偶加以監 視和控制，熱偶係記號熔接在大容器表面以得到真實溫度 ，各熱偶是利用一簡單〇n-off控制器來控制一組加熱器。 此設備允許橫跨受熱表面之均勻溫度之維持。氨流速之測 量係依據每隔3 0〜5 0分鐘的平均重量損失。 圖4爲氨流速（右y軸）及表面溫度（左y軸）隨時 間變化圖。表面溫度增加導致大容器輸送的氨蒸汽流速相 對加快，實驗中亦受到監視的壓力及液溫保持不變。較高 表面溫度的熱通量增加。導致較高蒸發速率，因而增加流 速。壓力及液溫不變指示加熱器提供的能量適當，且所有 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝、 訂 -線_ -15- 535196 A7 B7 五、發明説明（13 ) 能量用於蒸發氨及維持流速。不同流速下觀測到的溫差及 到流體之實際熱通量見表2，熱通量係利用氨流速及蒸發 熱計算而得。 _表2 :實驗結果 溫差 平均氨流速（F )平均熱通量（Q / A ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

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、1T (T W。u t — T L )(〇C ) (Sl pm) ( k W / m - 2 ) 2, 78 150 28.61 3 .33 327 62.25 4 .22 363 70.60 5. ,56 492 93.51 在汽化沸騰期間可傳到液體的最大熱通量爲1 . 5 x 1 0 3 k W m — 2，此熱通量對應圖2中沸騰曲線上的汽化 及蒸汽膜沸騰機制。計算最大熱通量係利用McGraw-Hill 1999 年出版的 Perry’s Chemical Engineers Handbook 第七版 第5章”熱與質量傳遞”中之關係式。使用汽化沸騰的熱 傳關係式可進一步看出在最大熱通量點的容器壁溫度（ T w i η )與大量液體溫度（T L )差異對氨而言約2 0 °c 。實驗中，觀測到的容器外表面溫度（T w。u t )與大量 液體溫度（T l )差異在4 9 2 s 1 p m流速下小於6 °C， 顯示即使在這麼高的流速下，液體僅開始汽化沸騰，在此 機制下可因加強熱傳而得到更高流速，理論上，使用上述 實驗結構可輸送7 8 9 0 s 1 p m之氨，同時使液態氨在 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -16 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535196 A7 B7 五、發明説明（14) 汽化機制下沸騰。 上面出現的實驗數據顯示利用一適當熱源並控制表面 溫度可輸送從大容器來之某範圍蒸汽流速，數據亦顯示在 剛開始汽化沸騰時可達到這些高流速。 圖5示出一較佳系統，其包括下列元件：（1 )傳統 壓縮氣體源（亦即氣缸、大容器），（2 )熱源；（3 ) 閥裝置（亦即控制從氣體源流出之氣體流量之閥）；（4 ')壓力測量裝置（亦即監視氣體源壓力之壓力傳感器）； (5 )溫度測量裝置（亦即測量氣體源溫度之溫度感測器 );(6 )控制熱量的加熱器控制箱；以及（7 )控制氣 體流量的一流量開關。在圖5中的實線爲氣體流動路線， 虛線爲控制迴路。 壓縮氣體貯存容器在周圍溫度的液化氣體蒸汽壓下裝 塡液化氣體，形成容器底部爲液相，頂部爲汽相，要輸送 的氣體利用將閥全開從汽相抽出。在此結構下，壓力傳感 器讀取容器內之蒸汽壓，溫度感測器用來監視容器底部總 是與內部液相接觸的表面溫度，至少在三個不同位置（若 未更多）監視溫度，這些讀數平均値用於控制邏輯，溫度 感測器可爲紅外線感測器或記號熔接的熱偶，控制箱可爲 電腦或即時邏輯控制器，送到貯存容器之熱係利用熱源。 熱源可爲套式加熱器或循環液浴，液浴中的流體溫度 由一外部加熱器維持，且利用流量計控制其流速。套式加 熱器可由電力供能（例如實驗設備中之電阻式加熱器）或 由循環熱流體能量。若容器浸在受熱液浴（例如水或油） 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ; 裝， 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -17- 535196 A7 B7 五、發明説明（15 ) 內且流體循環的話，熱阻最低。若使用加熱套（電子式或 熱流體式），則最好使用導電油脂或橡膠來增加加熱器與 容器之間的接觸面積。 圖6槪示所提出之輸送系統控制策略，控制決定係依 據此刻t的壓力P和表面溫度T與前一刻t 一 △ t之壓力 和表面溫度。此舉藉由給定溫度上限T m a X和壓力上限 P m a X增進輸送系統安全性，並確保輸送不中斷。表面溫 度降低且流速增加爲加熱不當之警告，若加熱器傳遞熱量 小於蒸發液體所需能量，表面溫度將下降以維持流速。表 面溫度上升且壓力降低指示沸騰在蒸汽膜機制。此時，從 容器傳送到液體的能量小於蒸發所需能量。 在無流動限制下（氣體不需處理），閥爲全開，且傳 感器和感應器讀取的壓力和溫度保持不變，處理線路充滿 氣體。當顧客需要氣體就開啓啓動控制迴路的一個流動開 關，虽氣體開始流動，壓力降低，且視流速而定，表面溫 度不是保持不變就是降低，此舉啓動控制器使加熱器溫度 上升而維持一定壓力。若爲循環流體式加熱器（液浴或有 套），可有效利用流體溫度或流體流速來控制供應到容器 的熱量，電子加熱器供應的熱量是由供給加熱器之電壓或 使加熱器循環地打開和切斷而加以控制。加熱器提供能量 給液相，導致液體蒸發，將容器內壓力保持不變。因表面 溫度不變或降低之下流速更增加而引起的壓降使加熱器功 率增加以蒸發更多液體，增加的熱量輸出將液體保持一定 溫度。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-· -線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -18- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535196 A7 B7 五、發明説明（彳6 ) 當流速需求降低，容器內部壓力因蒸汽生成而增加， 其亦因熱量生成而使表面溫度上升。當滿足這些條件，控 制器降低加熱器溫度。以下兩種狀況亦會降低加熱器溫度 :第一種爲到達壓力或溫度上限；第二種爲表面溫度上升 同時壓力降低（蒸汽膜沸騰）。在每次重新進入控制迴路 之前，檢查流動開關以確認仍需要氣體。 將整個容器加熱亦造成在容器中傳熱到汽相，導致容 器中之蒸汽過熱，過熱蒸汽的過多能量有助於可能進入汽 相的任何亞穩液滴之蒸發。將過熱蒸汽從壓縮氣體源抽出 使處理線路中蒸汽凝結（在抽出飽和蒸汽時可能是嚴重的 問題）之機會降到最低。溫度降低或流動限制降低在使用 飽和蒸汽之時可造成線路中之液滴凝結。 大型氨輸送系統例子 以下爲使用上述控制策略可能變化且安裝在顧客處之 原型大量氨輸送系統之說明。 輸送系統包含由一片金屬封閉物罩住及支撐的一大容 器，其爲容量約4 5 0升且重約5 2 9公斤的水平壓力容 器，大罩框內部設有絕熱設置，罩框在幾乎頂部中心線處 水平分開，上半部鉸接以利大容器之維修、安裝及移除， 邊緣夠硬以防止扭曲。嵌入罩框底部的三個圓周支撐件沿 大容器約5 2英吋的圓柱截面等間隔設置，中央支撐件供 監視大容器表面溫度的二紅外線裝設。罩框各端設有一傾 斜導軌，其位於縱向中心線上，且與二邊支撐件合倂及連 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — ^ 裝- 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -19- 535196 A7 B7 五、發明説明（17 ) 結，以助於大容器之定位。 爲了將熱傳到大容器，使用了內部半徑1 2英吋寬 11英吋圓周長28英吋的四個陶瓷加熱器，這些加熱器 是兩個一組安裝在罩框內支擦件之間，加熱器在大容ts圓 柱截面之安排見圖7。各帶（band )之各端設有一適合彈 簧組裝之安裝凸緣，彈簧接到罩框內部，使得當大容器下 降定位時，加熱器對容器施加一夾持力。帶/彈簧/大容 器表面之幾何安排確保帶加熱器（band heaters)立即承載 大容器重量並提供加熱器與容器之間的最佳表面接觸，此 結構亦允許大容器之更換而不需重覆調整。 各加熱器帶連接到一處理控制器且設有二熱偶，其中 一熱偶是用來控制溫度設定點，另一個用來監視溫度。四 個加熱器的處理控制器裝在一共同的控制箱內，控制箱經 由動力接線箱提供能量給加熱器並經由信號接線箱讀取溫 度。 在開始流動之前，一壓力設定點輸入萬用控制器，當 到達壓力設定點，加熱器切斷；當壓力又低於設定點，加 熱器又打開，壓力將因蒸汽抽出而下降。一加熱器設定點 輸入各處理控制器以給予加熱器溫度一上限。過熱狀況時 會發出一信號經由控制箱到萬用控制器，以將加熱器切斷 。在溫度過高信號之外，加熱器處理控制器將在加熱器燒 毀或故障時給予萬用控制器一個信號，以啓動警鈴、切斷 加熱器之動力並啓動自動切換到待命單元。 二紅外線表面溫度感測器接到萬用控制器，且藉由限 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 7 —爹-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -20- 535196 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（18 ) 制大容器壁溫度而做爲主要安全裝置，其最高內建値可達 1 2 5 °F。在內建表面溫度下，感測器允許加熱器運作。 若任一感測器到達表面溫度設定點，此信號超越上述壓力 控制程序。萬用控制器將切斷供給加熱器之電源，並啓動 自動切換到待命單元。處理管路內亦裝設一溫度感測器來 測量蒸汽溫度，且信號送到萬用控制器。在本發明中，溫 度測量裝置可爲任何溫度感測器，最佳爲熱偶。蒸汽溫度 與二紅外線感測器平均値之間的溫度差異與控制器內建設 定點比較。 溫差値大於設定點做爲液體過冷之警告，給操作者有 機會降低氨之需求或切換到其他大容器。 控制策略簡言之爲，若所有下列條件皆滿足，打開對 加熱器之電源供應：（1 )大容器表面溫度低於設定點； (2 )大容器壓力低於設定點；（3 )沒有加熱器過熱； (4)所有加熱器運作；（5)大容器表面溫度/蒸汽溫 度差異低於設定點。若條件（1 )， （ 3 )或（4 )未滿 足，切斷供給加熱器之電力，且由萬用控制器啓動自動切 換到第二大容器。 原型輸送系統之測試得知可在9 0 p s i輸送壓下維 持6 0 0 s 1 p m平均氨流速達約2 · 5小時而沒有明顯 液體過冷。測試亦得知使用上述結構可在8 0 〇 s 1 p m 最大氨流速下輸送3 0分鐘而沒有明顯大容器壓降。 本發明中之半導體氣體可爲任何可壓縮液化氣體，較 佳爲氨、氯化氫、溴化氫、氯和全氟代丙烷。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-裝I 訂 -線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -21 - 535196 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（19 ) 雖然上述本發明完全可運作，但仍可有某些變化，其 中有些可能需要貯存容器重新設計。 貯存容器可設計成容器壁整體部分，此將使熱傳係數 與使用熱液浴時相類似。 貯存容器內可增設內部構件（例如肋片）以增加熱傳 面積，此舉甚至可能在更低溫度下高流速輸送。若容器所 有可用外表面被加熱且設有伸入液體之高導熱內部肋片， 蒸汽及液體空間的熱傳皆加強。 亦可加設外部肋片來加強從流體浴到容器之熱傳。 貯存容器內可設有一熱偶或~熱井來直接測量溫度， 以在液溫保持不變（而非容器壓力）時更可靠地控制。 分子筛床或其他分離單元操作，例如在出口之蒸f留， 可用來降低汽相中之雜質（例如溼氣），因而將超高純度 氣體送到使用點。 將初始蒸汽頭部空間（headspace ) —部分通到一消除 系統可減少通到超高純度氣體輸送之輕雜質。 本發明亦可在連續模式下運作，可依據本發明設計一 液體蒸發器，現有的貯存容器可改成連續地容納液態產品 。液化氣體泵入此蒸發器而連續蒸發以將氣態產品輸送到 使用點，泵速率將取決於流速需求，流速需求及所需蒸汽 溫度將控制到蒸發器之熱通量。 本發明之特定特徵已見於圖式其中一者或更多，但僅 爲了方便，因爲各特徵可與本發明其他特徵合倂。對習於 此技者而言仍可有替代實施例，其皆在申請專利範圍之範 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝'

、1T 線 -22- 535196 A7 B7 五、發明説明（20 圍內。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -23-

Claims (1)

1. 535196 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 附件2A :第91100031號專利申請案 修正後無劃線之中文申請專利範圍替換本 民國92年3月19日呈 1 . 一種控制貯存容器內的液化壓縮氣體溫度之方法 ，包括： a .將液化壓縮氣體送入一貯存容器； b .將一溫度測量裝置固定在壓縮氣體貯存容器壁上 ， c.將至少一加熱裝置固定在貯存容器附近； d .利用溫度測量裝置監視貯存容器內的壓縮氣體溫 度；以及 e .調整加熱裝置對貯存容器內的液化壓縮氣體之熱 輸出。 2 . —種在蒸汽輸送期間維持壓縮容器內的液化壓縮 氣體蒸發之方法，包括： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 a .將液化壓縮高純度半導體氣體送入一貯存容器； b .將一溫度測量裝置固定在貯存容器壁上； c .將至少一加熱裝置固定在貯存容器附近； d .利用溫度測量裝置監視貯存容器內的壓縮氣體溫 度 e .將一壓力測量裝置固定在貯存容器的一出口； f .以壓力測量裝置監視貯存容器內的壓縮氣體壓力 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 535196 Α8 Β8 C8 D8 六、申請專利範圍 g·使一部分氣體流出貯存容器；以及 h·調整加熱裝置之熱輸出以維持所需壓力。 · (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 3 _ —種以高流速輸送液化壓縮氣體之方法，包括： a ·將液化壓縮高純度半導體氣體送入一貯存容器； b·將一溫度測量裝置固定在壓縮氣體貯存容器壁； c 將至少一加熱裝置固定在貯存容器附近； d·以溫度測量裝置監視所形成之溫度； e ·將一壓力測量裝置固定在貯存容器的一出口並監 視容器壓力； ί ·調整加熱裝置熱輸出以加熱貯存容器內的液化壓 縮氣體；以及 g .控制貯存容器來的氣體流動。 4 _ 一種以高流速輸送氨之方法，包括： a ·將高純度液化壓縮氨送入一大容器； b ·將一熱偶固定在大容器壁； c ·將至少一加熱裝置固定在大容器附近； d ·監視熱偶； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 e .將一壓力傳感器固定在大容器出口，並監視容器 壓力； f .監視大容器內的液化壓縮氨之平均重量損失； g ·調整加熱裝置輸出溫度以加熱大容器內@ ^ M :使液化壓縮氨在對流及汽化沸騰機制下沸騰； h .在對流及汽化沸騰機制下控制大容器內@ ^ β 縮氨之蒸發；以及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 535196 A8 B8 C8 D8 「、申請專利範圍 控制大容器來的氨之流動。 5 · —種以高流速輸送半導體處理氣體之系統，包括 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) a .容納液化壓縮半導體處理氣體的一貯存容器； b·固定在貯存容器壁的一溫度測量裝置； c ·固定在貯存容器出口的一壓力探針； d·固定在貯存容器附近的一加熱裝置，其中溫度探 針和壓力探針係用來調整加熱器輸出而加熱壓，縮氣體貞宁;^ 容器內的液化壓縮半導體氣體，並使半導體能從壓，縮.氣Μ 貯存容器高流速流出；以及 一閥裝置，用來控制從貯存容器流出之半導體氣體流 動。 6 ·如申請專利車Β圍弟5項之系統，其中貯存容器爲 一氣缸或大容器。 7 ·如申請專利範圍第5項之系統，其中加熱裝置爲 一加熱套。 8 ·如申目靑專利軺圍弟5項之系統，其中加熱裝置爲 一陶瓷加熱器。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 .9 ·如申請專利範圍第5項之系統，其中高流速爲高 達約5 0〇s 1 p m。 1〇.如申請專利範圍第5項之系統，其中溫度測量 裝置爲一熱偶。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -3-