Температура підходу, яка встановлює розмір
Вологий напівпровідниковий стенд, який працює на суміші сірчаної кислоти-перекису водню при 140 градусах, вимагає теплообмінника для підтримки температури. Робочою рідиною є пара при 160 градусах, що забезпечує температуру підходу 20 градусів.
Температура підходу - це різниця між температурою робочої рідини та температурою технологічної рідини в точці, де дві рідини знаходяться найближче. У протиточному теплообміннику найближчий доступ знаходиться на виході процесу та виході обслуговування. У теплообміннику з паралельним-потоком найближчий підхід знаходиться на виході з процесу та на вході для обслуговування.
Для даного теплового навантаження необхідна площа поверхні обернено пропорційна логарифму середньої різниці температур (LMTD), яка є функцією температури підходу. Менша температура наближення створює менший LMTD і вимагає більшої площі поверхні.
LMTD і співвідношення площі поверхні
Журнал середньої різниці температур розраховується з різниці температур на двох кінцях теплообмінника. Для зустрічного -розташування з технологічним входом під кутом 140 градусів, технологічним виходом під кутом 140 градусів (ізотермічний процес), робочим входом під кутом 160 градусів і робочим випуском під кутом 150 градусів LMTD становить приблизно 15 градусів.
Для теплообмінника потужністю 20 кВт із загальним коефіцієнтом теплопередачі 200 Вт/м²·К і LMTD 15 градусів необхідна площа поверхні становить 6,7 м². Якщо температура наближення знижується до 10 градусів, LMTD падає приблизно до 7,5 градусів, а необхідна площа поверхні збільшується до 13,3 м².
Площа поверхні подвоюється, коли температура наближення зменшується вдвічі. Пропорційно зростає капітальна вартість, а також збільшується площа. У напівпровідникових вологих стендах, де доступний простір обмежений, більша площа поверхні може бути неможлива.
Обмеження допустимої температури процесу
Температура підходу обмежена допуском температури процесу. Під час вологої обробки напівпровідників температура процесу повинна підтримуватися в межах допуску, який зазвичай становить ±1 градус або менше. Температура робочої рідини має бути достатньо високою, щоб забезпечити передачу тепла, але не настільки високою, щоб перевищувати температуру процесу.
Якщо температура робочої рідини занадто близька до температури процесу, швидкість теплопередачі низька, і теплообмінник повинен бути великим. Якщо температура робочої рідини занадто висока, температура процесу може перевищити рівень під час перехідних процесів, і система керування повинна бути більш складною.
Оптимальною температурою підходу є та, яка врівноважує розмір теплообмінника зі складністю керування. Більша температура підходу зменшує розмір теплообмінника, але збільшує складність керування та ризик перевищення. Менша температура підходу збільшує розмір теплообмінника, але забезпечує більший запас контролю.
Обмеження доступності сервісної рідини
Температура підходу також обмежена наявністю робочої рідини. Пара доступна при обмеженій кількості тисків, і температура насичення, що відповідає кожному тиску, є фіксованою. Для процесу при 140 градусах пара при 4 барах забезпечує температуру насичення 152 градуси, що дає температуру підходу 12 градусів. Пара під тиском 6 бар забезпечує температуру насичення 165 градусів, що дає температуру підходу 25 градусів.
Вибір тиску пари визначає температуру підходу та розмір теплообмінника. Вищий тиск пари забезпечує більшу температуру підходу та менший теплообмінник, але вища температура підвищує температуру стінки труби та швидкість деградації PTFE.
Обмеження чистоти в службі напівпровідників
При мокрій обробці напівпровідників теплообмінник не повинен вносити забруднення в технологічну рідину. Температура стінки трубки впливає на швидкість вилуговування PTFE, а вища температура стінки збільшує швидкість вилуговування. Температура підходу визначає температуру стінки для заданого теплового потоку.
Менша температура підходу вимагає більшої площі поверхні та меншого теплового потоку, що знижує температуру стінки труби та швидкість вилуговування. Більша температура підходу забезпечує меншу площу поверхні та більший тепловий потік, що підвищує температуру стінки та швидкість вилуговування.
Тому вимога до чистоти сприяє меншій температурі підходу та більшому теплообміннику. Компроміс-полягає між капітальними витратами на більший теплообмінник і перевагою чистоти від нижчої швидкості вилуговування.
Порівняння температур підходу для вологої обробки напівпровідників
У наведеній нижче таблиці підсумовано розмір і продуктивність теплообмінника для різних температур підходу в напівпровідниковому мокрому стенді, що працює при 140 градусах з тепловим навантаженням 20 кВт.
| Температура підходу | LMTD | Необхідна площа поверхні | Тепловий потік | Температура стінки трубки | Швидкість вилуговування | Капітальні витрати |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 ступінь | 4 ступінь | 25 m² | 0,8 Вт/см² | 155 градусів | Дуже низький | $52,000 |
| 10 градусів | 8 ступінь | 12.5 m² | 1,6 Вт/см² | 170 градусів | Низький | $32,000 |
| 15 градусів | 12 градус | 8.3 m² | 2,4 Вт/см² | 185 градусів | Помірний | $24,000 |
| 20 градусів | 16 градусів | 6.3 m² | 3,2 Вт/см² | 200 градусів | Високий | $19,000 |
| 25 градусів | 20 градусів | 5.0 m² | 4,0 Вт/см² | 215 градусів | Дуже високий | $16,000 |
| 30 градусів | 24 градуси | 4.2 m² | 4,8 Вт/см² | 230 градусів | Екстрім | $14,000 |
Температура стінки трубки розраховується на основі теплового потоку та теплового опору стінки трубки для стінки PTFE товщиною 0,8 мм. Швидкість вилуговування – це якісна оцінка, яка базується на температурі стінки та відомій поведінці вилуговування ПТФЕ в умовах високо-чистої кислоти.
Практичні межі температури підходу
Практичні межі температури наближення під час вологої обробки напівпровідників визначаються компромісом-між розміром теплообмінника та температурою стінки. Дуже низька температура підходу вимагає дуже великого теплообмінника, який може не поміститися в доступний простір. Дуже висока температура наближення вимагає дуже високої температури стінки, яка може перевищувати поріг деградації PTFE.
Для більшості випадків вологої обробки напівпровідників практичний температурний діапазон становить 10–20 градусів. Нижче 10 градусів теплообмінник стає непрактично великим. Вище 20 градусів температура стінки стає достатньо високою, щоб прискорити деградацію PTFE та швидкість вилуговування.
Конструктивні особливості, які дозволяють досягти менших температур
Кілька конструктивних особливостей дозволяють знизити температуру наближення без надмірного збільшення розміру теплообмінника.
Матеріал труби з високою провідністю.Наповнена суміш PTFE з теплопровідністю 0,5 Вт/м·K має вдвічі менший термічний опір стінки, ніж первинний PTFE. Менший опір забезпечує вищий тепловий потік за тієї самої температури стінки, що зменшує необхідну площу поверхні.
Більш тонка стінка труби.Тонша стінка зменшує термічний опір і забезпечує більший тепловий потік за тієї самої температури стінки. Стінка товщиною 0,5 мм має вдвічі менший термічний опір, ніж стінка товщиною 1,0 мм.
Вища швидкість течії.Більш висока швидкість потоку збільшує коефіцієнти плівки з обох боків стінки труби, що збільшує загальний коефіцієнт теплопередачі та зменшує необхідну площу поверхні.
Покращена поверхня труби.Поверхня труби з ребрами або канавками збільшує площу поверхні на одиницю довжини та коефіцієнт плівки. Покращена поверхня дозволяє знизити температуру наближення без надмірного збільшення розміру теплообмінника.
Роздільна конфігурація теплообмінника.Розподіл теплового навантаження між двома меншими теплообмінниками дозволяє кожному блоку працювати при меншій температурі підходу без обмеження простору одного великого блоку.
Параметри специфікації для вологої обробки напівпровідників
Інженери з обладнання, які вибирають теплообмінник з PTFE для вологої обробки напівпровідників, повинні підтвердити наступні параметри у постачальника.
Температура процесу.Вкажіть температуру процесу та допуск.
Температура робочої рідини.Вкажіть температуру робочої рідини та наявний тиск.
Температура підходу.Вкажіть температуру підходу на основі допуску процесу та наявності робочої рідини.
Теплове навантаження і площа поверхні.Вкажіть теплове навантаження та необхідну площу поверхні.
Тепловий потік.Вкажіть максимально допустимий тепловий потік, виходячи з обмеження температури стіни.
Товщина стінки труби.Встановіть товщину стінки труби, виходячи з теплового потоку та допустимої температури стінки.
Матеріал труби.Вкажіть матеріал труби на основі температури стінки та швидкості вилуговування.
Вимога чистоти.Вкажіть гранично допустимі рівні забруднення іонами металів, частинками та органічними сполуками.
Обмеження простору.Укажіть доступний простір і максимально допустиму площу.
Відповідність температури підходу до вимог процесу
Температура наближення визначає LMTD, необхідну площу поверхні та температуру стінки трубки в PTFE теплообміннику для вологої обробки напівпровідників. Менша температура підходу вимагає більшого теплообмінника, але забезпечує нижчу температуру стінки та меншу швидкість вилуговування. Більша температура наближення дозволяє мати менший теплообмінник, але підвищує температуру стінки та швидкість вилуговування.
Температуру підходу слід вибирати на основі допуску процесу, наявності робочої рідини, вимог до чистоти та обмежень простору. Проста модель електронної таблиці з розрахунком теплопередачі та даними про вартість надає інформацію, необхідну для вибору оптимальної температури підходу.
Для установок для вологої обробки напівпровідників, які оцінюють варіанти теплообмінника з ПТФЕ, температуру підходу слід вказати в закупівельних документах і перевірити під час введення в експлуатацію. Конфігурація за замовчуванням, надана виробником, може бути оптимізована для компактності, а не чистоти, і кінцева температура стінки може перевищувати поріг погіршення.
Інженери з обладнання та спеціалісти з закупівель, які оцінюють специфікації теплообмінника з PTFE для вологої обробки напівпровідників або іншої -послуги з високою чистотою, можуть подати запит на перевірку конструкції, яка охоплює температуру процесу, температуру робочої рідини, температуру наближення, тепловий потік, товщину стінки труби та матеріал труби, щоб підтвердити, що пристрій відповідає фактичним вимогам процесу та обмеженням чистоти підприємства.
