組合式熱吸氣劑淨化系統的製作方法
2023-12-02 01:11:51
專利名稱：組合式熱吸氣劑淨化系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及氣體淨化，更具體地說，本發明涉及基於吸氣劑的從氣體中脫除雜質的方法和設備。
有幾種生產超高純氣體的方法。所用的方法通常由所需的氣體流率決定。小流率超高純氣體最典型地用於在單點使用(POU)，例如單一實驗室試驗點或單一加工設備如化學氣相澱積法(CVD)半導體加工設備。對於POU和其它類似的小流率應用，優選的方法是採用冷反應淨化工藝或者熱吸氣劑淨化工藝，主要是由於這些方法可以進行小規模地生產。
冷反應淨化工藝一般利用基於活性金屬、金屬合金或聚合物樹脂的淨化材料。冷反應淨化工藝採用特殊的、活性淨化材料處理要淨化的不純氣體中。一般，這種方法要求專門調節淨化材料，達到「活化」淨化材料，然後在壓力下迫使不純氣體通過該淨化材料。淨化材料與不純氣體中的雜質進行化學或物理地結合，而使淨化氣流出。
圖1是現有技術的冷反應淨化工藝10的工藝流程圖，它利用多孔、還原性鎳催化劑顆粒作為淨化材料。首先在工序14中，一種不純氣體例如含有微量雜質氧的氬氣，在壓力下流過多孔鎳粒。微量雜質氧與鎳金屬反應形成鎳氧化物。其它雜質也可以與鎳反應。淨化氣在工序16中應用於其目的場合(例如半導體製造工藝)。當鎳通過工藝10基本被氧化之後，就不能再從氣體中有效地脫除氧和其它雜質。
以冷反應淨化材料與雜質反應直到淨化材料不再能把不純氣體中的雜質脫除到所需水平時達到的「淨化容量」來描述冷反應淨化材料。以上述鎳為例，當鎳不再從不純氣體中脫除微量氧，以致生成氣不再保持至少99.9999999％的純度時，鎳就達到了其淨化容量。對給定雜質，當冷反應淨化材料達到其淨化容量時，就必須更換這種冷反應淨化材料，或者有可能的話進行再活化。
雜質的「總容量」為基本上將淨化材料全部耗盡，或者說通過與雜質反應使淨化材料不再與任何雜質反應時所需雜質的數量。
給定雜質的總容量一般比淨化容量高得多。提高雜質的淨化容量，一般是通過使用大量淨化材料來實現的。
冷反應淨化材料工藝的好處是工序非常簡單，通常在工廠活化和在現場操作都無需控制和監測系統。冷反應淨化工藝的缺點是只能脫除非常有限的幾種雜質，而且對有限的幾種雜質，容量也非常小。已知冷反應淨化工藝中淨化器是過熱的，如果一旦暴露於過高濃度的雜質中，甚至會引起著火。
加熱的吸氣劑淨化材料(此後稱為吸氣劑)，一般是Zr、Ti、Nb、Ta、V以及其它材料的合金或混合物。熱吸氣劑工藝就是讓待淨化的不純氣通過保持在適當溫度下的一定數量的吸氣劑材料。
圖2表示現有技術的熱吸氣劑工藝30。在工序31中，不純氣從淨化器第一端入口流入。然後，在工序32中，不純氣體被預熱到操作溫度。接著，在工序34中，加熱的吸氣劑與不純氣中的雜質如CO2、H2O、CH4、CO、O2、N2和其它雜質發生化學結合。在工序36中，淨化氣在換熱過程中被冷卻到接近常溫。在接近常溫時，吸氣劑對H2有很大容量。在任選工序38中，利用一定量接近常溫的吸氣劑基本上脫除殘餘H2和其它雜質。在工序39中，淨化氣從淨化器第二端的出口流出。然後將淨化氣用於工序40中目的場合(例如半導體製造工藝)。
當吸氣劑不再能將雜質脫除到要求的性能水平時，吸氣劑達到其淨化容量。當吸氣劑材料達到給定雜質的淨化容量時，就必須更換。
雜質的總容量是基本上將吸氣劑材料全部耗盡或者說與雜質反應掉時所需的雜質量。給定雜質的總容量一般大大高於雜質的淨化容量。一般通過增加吸氣劑用量或者將吸氣劑加熱到更高溫度來提高雜質的淨化容量。
熱吸氣劑工藝優於冷反應淨化材料工藝之處是，對等量的淨化材料而言脫除給定雜質的數量是其50倍。熱吸氣劑工藝還能脫除數種類型的雜質，而冷反應淨化材料工藝一般只能脫除一兩種類型的雜質。這就降低了這些系統總的操作費用和維修費用。
熱吸氣劑工藝的缺點包括淨化材料合金的成本高；需要熱源，因而也就需要控制熱源的方法例如控制系統；淨化氣淨化後需要冷卻。對熱吸氣劑淨化系統周圍的人還存在潛在的危險，因為操作溫度一般為300℃或更高，人與之接觸會燒傷。還知道若吸氣劑在操作溫度下曾暴露於太高濃度的雜質中，則會使熱吸氣劑淨化系統引發火災。由於需要熱源、控制系統和氣體冷卻系統，熱吸氣劑系統一般用於中等或大規模的應用場合。
大多數POU應用場合除淨化外還需要小規模地控制和監測。這些控制、監測和淨化的器件組合稱為「吸氣組件」(gas stick)。圖3是典型的現有技術吸氣組件50的示意圖。吸氣組件50包括控制氣體壓力的壓力調節器52、控制入口氣流的入口閥54、淨化氣體用的熱吸氣劑淨化器56、隔離淨化器的淨化器出口隔離閥58、控制或監測氣體流率的質量流量控制器或質量流量計60、控制氣體倒流的單向閥62、監測系統壓力的壓力變換器或壓力表64以及從氣流中脫除顆粒物的出口過濾器66。
吸氣組件一般由兩種密封或聯接方法組裝。擠壓密封68的金屬到金屬的密封表面一般用於可更換部件。焊接接頭70一般用於不可更換的部件。兩種裝配方法都很費錢且難以適當利用。
隨著淨化、控制和儀表化要求的增加，吸氣組件變得更加複雜。更複雜的吸氣組件變得更大，在典型POU有限的空間更難利用。目前，吸氣組件已經演化成除前述功能和上述組件外，還包括氣體混合、氣體吹掃和氣源選擇。
吸氣組件尺寸和複雜性的增加推動了吸氣模件的發展。吸氣模件規格的例子可以在1998年SEMI起草的#2787文件《配氣部件表面安裝接口設備規格》中找到，此處引為參考文獻。
表面安裝接口設備(SMI)規格定義了吸氣組件型的模件接口設備。圖4A表示吸氣模件基座(modular gas stick substrate)80，圖4B表示吸氣模件基本單元(modular gas stick component base)100。吸氣模件基座80包括氣流的機械通道82，例如從部件室(component station)84到部件室94。每個部件室84、94、95、96、97、98和99包括一個入口86和一個出口88，其對應於每個吸氣模件基本單元100的入口102和出口104。多種類型部件如閥門、質量流量計和壓力變換器可以與吸氣模件基本單元100造在一起。每個吸氣模件基本單元100密封在普通的吸氣模件基座80上。吸氣模件基座80可以採用一個或多個氣體通道82的結構。
圖5表示安裝在吸氣模件基座80上的典型部件，即第一個部件106、第二個部件108和第三個部件110。氣流進入吸氣模件基座80的入口90，通過吸氣模件基座80的通道82到達第一個部件室84，再通過吸氣模件基座80的入口86，再通過第一個部件106的入口102、第一個部件106，到達出口104，再通過吸氣模件基座80的出口88。來自第一個部件106的氣流進入吸氣模件基座80的通道82，到達第二個部件108。氣流繼續從部件室到部件室流動，直到氣體到達吸氣模件基座80的出口92。
吸氣模件提供優於傳統吸氣組件的兩個重要好處第一，吸氣模件組裝和維修更快捷、簡單和容易。第二，吸氣模件尺寸非常緊湊。通過對所有部件進行嚴格的尺寸和形狀限制，吸氣模件更緊湊。例如，SMI規定了除閥門和MFC/MFM如淨化器外的部件尺寸限定在一個寬為38.15mm、深為38.15mm、高為180mm的外殼中。
利用冷反應淨化材料工藝簡單的常溫操作，在吸氣模件應用中運行良好。但是，沒有與吸氣模件一起應用熱吸氣劑工藝。部分原因是吸氣組件基座的溫度限制，一般要求40℃或以下。多數熱吸氣劑淨化器加熱吸氣材料到200～400℃，這與採用的吸氣模件不相適應。而且，熱吸氣劑淨化系統一般考慮用於比吸氣模件系統規模更大、不那麼緊湊的場合。
本發明的公開本發明提供了一種比現有熱吸氣劑工藝更緊湊的利用熱吸氣劑工藝淨化各種氣體的方法和設備。更緊湊的裝置(「形狀因數」)也包括一個整體式再生換熱器，以同時提高加熱器效率和冷卻淨化氣。冷卻後氣體接觸次要量(a second quantity)的較冷的吸氣劑以脫除殘餘雜質，然後優選在排出前過濾以脫除顆粒物。本發明的優選實施方案進一步提供了聯結各種吸氣模件基座結構的接口設備。
從不純氣中脫除多種雜質的氣體淨化方法包括在再生換熱器中加熱不純氣，然後再通過加熱器加熱到操作溫度。加熱的不純氣接觸熱吸氣劑材料，然後在再生換熱器中冷卻。冷卻後的產品氣再接觸較冷的吸氣劑以脫除殘餘雜質。淨化氣再利用UHP性能的顆粒物過濾器過濾。
氣體淨化設備包括一個外殼和一個內殼。第一端聯結到內殼和外殼兩者上，第二端只聯結到外殼上。外殼和內殼之間有一環形空間，內殼中為內部空間。
第一端也包括入口和出口。入口聯結到環形空間，出口聯結到內部空間。一定量的加熱吸氣劑置於內部空間。優選將分流器、次要量的吸氣劑和過濾器也置於內部空間。該分流器把熱吸氣劑和次要量的冷吸氣劑分開，過濾器把內部空間的物質與出口分開。
本發明以小型、緊湊的結構形狀提供了優異的熱吸氣劑淨化性能。通過有效的設計，換熱器介於進出氣流之間，降低了淨化氣淨化和冷卻的能耗。整體換熱器也為冷吸氣劑提供了從出口氣流中脫除殘餘雜質的機會。這些因素使得熱吸氣劑淨化器可以與吸氣模件系統一起用於其它緊湊的、溫度敏感的場合。
對於本領域的熟練人員，在閱讀了下面詳細敘述以及研究了各種附圖後，本發明的這些和其它的好處將變得顯而易見。
圖2是現有技術中熱吸氣劑淨化工藝的流程圖。
圖3是現有技術中典型的吸氣組件示意圖。
圖4A是現有技術的吸氣模件基座示意圖。
圖4B是現有技術的吸氣模件接口設備示意圖。
圖5是現有技術的帶有許多附件的吸氣模件接口設備系統示意圖。
圖6是本發明熱吸氣劑淨化器系統剖面圖。
圖7A～7E表示圖6中分流器226的各種替代設計方案。
圖8A和8B表示圖6所示實施方案中兩種類型的過濾器。
圖9是本發明熱吸氣劑淨化器工藝流程圖。
本發明最佳實施方案參照現有工藝已討論了圖1～圖5。
圖6表示一個作為本發明優選實施方案的組合式熱吸氣劑淨化系統200。組合式熱吸氣劑淨化系統200包括外殼202。外殼202可以是圓筒形或者任何剖面為矩形、正方形、三角形或其它多邊形的形狀。也可以使用其它形狀。第一個優選實施方案的外殼202優選用316L或304L低碳不鏽鋼(SST)製造。也可以使用其它級別鋼材和其它金屬材料。預定設計壓力為150磅/英寸2(psi)或更高。外殼202的壁應該至少為0.016英寸，以耐受預定的設計壓力。外殼202的壁也可以是所希望的厚度。外殼202的壁為熱吸氣劑淨化器部件提供結構強度，也提供某些保溫。在這一優選實施方案中，外殼202最好由標準的1.5英寸直徑的SST管制成。這樣的管子厚度一般為0.065英寸。對上面所述的因素而言，0.065英寸的壁一般是最簡單的選擇，但也可以選擇其它厚度。
表面光潔度一般採用平均粗糙度(Ra)這一術語來說明；平均粗糙度的劃分是在取樣長度內從圖示中心線測的輪廓高度偏差絕對值的算術平均值。優選外殼202壁的表面光潔度達到可基本上全部去掉加工油和膜。外殼202一般用電拋光到10μin Ra光潔度，以達到清潔和美觀的目的。但對外殼202不要求電拋光。
組合式熱吸氣劑淨化系統200的第一個優選實施方案也包括內殼204。內殼204可以是相應於外殼202的任何剖面形狀。內殼204安置在外殼內，使得兩個殼有一環形空間206。內殼204也決定了內部空間208。在第一個優選實施方案中，內殼204優選用316L或304L低碳SST製造。也可以使用其它級別的鋼材和其它金屬材料。
第一個優選實施方案中，內殼204優選厚度大約為0.010英寸，使得熱量更容易從內部空間208經內殼204傳遞到環形空間206中。內殼204壁的厚度由下列傳熱關係式確定瓦特＝(KAΔT)/L式中瓦特＝以瓦特表示的通過材料傳遞的熱量K＝內殼204材質的傳熱係數A＝受熱面積，在此例中是內殼204的壁面積ΔT＝T1一T2T1＝內殼204壁較熱的內表面溫度T2＝內殼204壁較冷的外表面溫度L＝內殼204壁的厚度由於K和A是常數，且希望ΔT非常高，因此通過內殼204壁傳遞的熱量就隨著L的減少而增加。正如下面進一步的說明，優化內殼204壁的厚度，以儘可能迅速和有效地傳熱。
內殼204壁的表面光潔度必須達到基本上脫除全部加工油和膜。為達到顆粒物和純度性能，內殼204優選電拋光到5～10μin Ra。
圖6所示組合式熱吸氣劑淨化系統200還包括第一端部210，它優選用316L或304L SST製造。也可以使用其它級別鋼材和其它金屬材料。第一端部210可以焊接在內殼204和外殼202上。這種焊接一般是非均勻(hetogenous)焊接，部件熔合在一起，採用電弧焊不加任何填料物質。也可以採用其它焊接方法。第一端部210是電拋光到10μinRa或更高表面光潔度。也可以採用電拋光以外的其它方法，但是出口212和第一端部210暴露於內部空間208的表面光潔度必須是10μin Ra或更高。這種表面光潔度的要求對維持淨化材料下遊的UHP性能是必要的。第一端部210也包括入口214的通道，以便入口214聯結到環形空間206。
第一端部210形成吸氣模件接口設備216，聯結到吸氣模件基座上。市場上吸氣模件基座有幾種設計。第一端部210可以設計成多種形狀與具體的吸氣模件基座相連。每一種形狀中，出口212和入口214可以是特定吸氣模件基座的要求的任何位置或取向。
圖6所示組合式熱吸氣劑淨化系統200還包括第二端218。在第一個優選實施方案中，第二端部218優選用316L或304L SST製造。也可以使用其它級別的鋼材和其它金屬材料。第二端部218可以焊接到外殼202上，但是不接觸內殼204。第二端部218也可以焊接到或以其它方法接觸到內殼204。優選實施方案在第二端部218和內殼204之間為氣流提供了一個很小的空間。如果第二端部218接觸內殼204，就必須提供從環形空間206到內部空間208的氣流通道。焊接一般是非均勻焊，其中部件熔合在一起，採用電弧焊而不加任何填料物質。其它焊接方法也可以採用。第二端部218的表面光潔度必須達到基本上脫除加工油和膜，一般是電拋光到10μin Ra光潔度，以便達到顆粒物和純度的要求。對於第二端部218，電拋光不是必要的，也可以採用其它清潔方法。
第二端部218還提供了加熱器220的位置。加熱器220的設施一般是一個「井」，它是第二端部218上提供的縫或者孔。該井不完全穿透第二端部218。本優選實施方案中，加熱器220是一個可通過各種來源(例如密蘇裡州聖路易斯的Watlow有限公司)獲得的圓柱形電阻加熱器。也可以利用其它類型加熱器，例如盤管式加熱器、帶式加熱器、籃式加熱器221或圍繞在第二端部218內、外的其它類型加熱器。加熱器220也可以有必備的溫度傳感器或熱電偶。熱電偶可以如下所述由外部控制器使用。加熱器220也可以有內部溫度控制開關。溫度控制開關可以提供加熱器220的內部溫度控制。
內部空間208內含一定數量的淨化材料222。在優選的實施方案中，淨化材料是吸氣劑材料222。也可以使用其它淨化材料，例如分子篩、沸石、鎳或其它。這些淨化材料可以由幾個來源獲得，例如義大利Lainate的SAES吸氣劑公司、俄亥俄州Beachwood的恩格哈德公司和加裡福尼亞州Sacramento的UOP公司。
吸氣劑222通常是多孔金屬粒或金屬粉。金屬粒一般是直徑2～3mm、長度3～5mm的圓柱形，也可以是其它形狀或尺寸。金屬粉的粒度一般是0.010英寸。
吸氣劑222一般是Zr、Ti、Nb、Ta、V及其合金或與其它材料的混合物。在優選實施方案中，吸氣劑222是由義大利Lainate的SAES吸氣劑公司製造的粒狀ST707TM、ST198TM、ST101TM，和其它吸氣劑。8T707TM優選用於淨化氦/稀有氣體系列的氣體和其它氣體；ST198TM優選用於淨化氮氣和其它類似的氣體。其它氣體可以利用其它類型淨化材料淨化。在優選實施方案中，加熱的吸氣劑溫度為200～400℃。更低或更高的溫度也可以採用。吸氣劑222的操作溫度取決於吸氣劑具體類型、氣體類型、雜質負荷、氣體流率和其它變量。
吸氣劑222通過壓縮篩224壓入內部空間208。壓縮篩224位於內部空間208，靠近第二端部218。壓縮篩224對吸氣劑222施加穩定的壓力使吸氣劑222在內部空間基本上不能移動或下降。如果吸氣劑222移動或下降，那麼氣流因此可能旁通吸氣劑，使氣流不能被充分淨化。壓縮篩224使得組合式加熱吸氣劑淨化系統200可在水平方向或垂直方向上予以利用。壓縮篩224優選採用316L或304L SST製造。也可以使用其它級別的鋼材和其它金屬材料。
分流器226也位於內部空間208。分流器226有幾個目的分流器226第一個目的是，使位於分流器226和第二端部218之間的熱吸氣劑245與位於分流器226和第一端部210之間的冷吸氣劑246隔開並絕熱。分流器226第二個目的是，將來自熱吸氣劑245的氣流導向內殼204的壁，以便將熱從氣流中傳到內殼204的壁。也可以操作分流器226以限制通過組合式熱吸氣劑淨化系統的氣體最大流率。
分流器226在內部空間208中的具體縱向位置可以隨具體應用變量變化，這些變量包括分流器226的結構、淨化材料的類型、氣體類型和雜質負荷、操作溫度以及其它因素。在分流器226每一側的熱吸氣劑245和冷吸氣劑246的數量決定著分流器226的縱向位置。
分流器226的一個目的是限制從熱吸氣劑區直接向冷吸氣劑區傳熱。該用途的一個例子由下述關係式說明瓦特＝(KAΔT)/L式中瓦特＝以瓦特表示的通過分流器226傳遞的熱量K＝該類型材料的傳熱係數A＝受熱面積，此例中是暴露於熱吸氣劑245的分流器226端部面積ΔT＝T1-T2T1＝熱吸氣劑245的溫度T2＝冷吸氣劑246的溫度L＝分流器226的厚度K是由分流器226材質類型與形狀決定的常數，下面將詳細討論。ΔT是由工藝決定的常數。例如若熱吸氣劑245持續在400℃，而冷吸氣劑246持續在20℃，那麼ΔT就穩定在380℃。由於K和ΔT是常數，則A必須儘可能減小，而L要儘可能增大。
A是由分流器226形狀確定的。隨著A的減小，傳熱也會減少。
L受內部空間208物理空間和淨化材料222所需量的限制。隨著L的增加，通過分流器226傳遞的熱量會減少。
分流器226的另外一個目的是作為一個有效的、整體的、緊湊換熱器的一部分。當分流器226將熱氣流從熱吸氣劑245導向內殼204壁時，發生換熱，熱量從氣流傳遞到內殼204壁。分流器226的外部尺寸略小於內殼204的內部尺寸。分流器226周圍的氣流緊靠著內殼204壁。來自熱吸氣劑245的熱氣流把熱能轉移給較冷的內殼204壁。來自熱吸氣劑245的熱氣流轉移給較冷的內殼204壁的熱能，又進一步轉移給較冷的、通過環形空間206的入口氣流。
圖7A～7D表示分流器226的各種實施方案。圖7A所示分流器226A是實心的(solid shape)，實心分流器226A結構簡單因此造價低廉。因為分流器226A是實心的，分流器226A材料的有效面積就是分流器226A的端面面積。因為分流器226A是實心的，分流器226A材料的傳熱係數K就決定了熱量傳遞。
圖7B所示分流器226B是有端蓋的空心狀。除了分流器226B材料的傳熱係數，分流器226B內空間的傳熱係數基本上決定了傳熱性能。分流器226B材料的有效面積降低到只有環形的面積227B。空心分流器226B可以用高傳熱係數的材料如不鏽鋼製造，以降低成本和提高壽命。
圖7C所示分流器226C是籃筐狀的。籃筐狀分流器226C提供了額外的可以裝填吸氣劑材料的空間。更多的吸氣劑材料提供了額外的雜質容量。籃筐形也降低了分流器226C的有效面積，成為填充的環形227C，環形部分的傳熱係數K由分流器226C的材料決定，而填充部分的傳熱係數K由裝填在籃筐形中的淨化材料222決定。
圖7D所示的分流器226D是具有支撐篩236的部分填充籃筐式。部分填充籃筐式分流器226D具有空心式分流器226B和籃筐式分流器226C綜合的好處。部分籃筐式也降低了分流器226D的有效面積，使其成為填充環形227D，其環形部分傳熱係數由分流器226D材料決定，而填充部分的傳熱係數，部分由裝填在籃筐形中的淨化材料222決定，部分由籃筐形剩餘空心部分決定。
在優選的實施方案中，分流器226是由316L和304L不鏽鋼製造的空心型，且有如圖7B所示的端蓋。也可以使用其它材料。分流器226可以由通用電氣公司和其它製造商的各種用於高溫的類似產品製成。另外，也可以應用其它材料，例如陶瓷、玻璃或矽化合物等以及其它低傳熱類型材料。
分流器226也可以製成其它多種形狀，只要符合具體應用要求即可。
圖7E所示的分流器226E有外延部分238。分流器226E可以是任何先前上述形狀的分流器226。為清楚起見表示為類似於圖7A的實心分流器。分流器226必須恰當位於內部空間208中，以便適當地將傳熱氣流導向內殼204壁。示於分流器226E上的外延部分238決定了分流器226E在內殼208中的定位。外延部分238也可以在內殼204壁上形成。外延部分238也可以是多種形狀例如小方塊或園形「凸起」或其它形狀。外延部分優選間隔均勻地圍繞在分流器226E外周，使分流器226E位於內殼204的中心。
外延部分238也可以是分流器226E周圍的「完整的裙板」(fullskirt)。如果外延部分238是完整的裙板設計，氣流就需要有通過分流器226E的另外通道240，它提供了把氣流導向冷吸氣劑246中心的好處，可以在其它形狀分流器226上更好的利用冷吸氣劑246。
參照圖6的顆粒物過濾器244。過濾器244位於內部空間208，將吸氣劑材料222與熱吸氣劑淨化系統200的出口212隔開。過濾器244從淨化器的氣流中脫除顆粒物。過濾器244可以由幾種材質製成，例如聚四氟乙烯(特氟隆)或燒結金屬或其它市售過濾介質。此例中，過濾器244材質是燒結不鏽鋼。一般，製造商保證燒結不鏽鋼過濾器額定性能達到5年。其它類型過濾介質一般不能保證這麼長時間。製造商例如康乃狄克州Farmington的Pall過濾器公司或該地方的Mott過濾器公司以及其它公司可以提供適宜的過濾器。
也可以利用過濾器244的多種性能設計。在優選實施方案中，過濾器244額定基本脫除所有10μm或更大的顆粒。也可以利用更精細的過濾，基本脫除所有0.003μm以上的顆粒。
圖8A表示「高帽」型過濾器244A。圖8B表示「圓盤」型過濾器244B。也可以使用其它沒有示出的過濾器形式。過濾器244A、244B優選在固體邊緣或「帽邊」上就地焊接。過濾器244可以置於如圖8所示第一個端部210上，或者遠離第一個端部210的內殼上。
組合式熱吸氣劑淨化系統200優選具有溫度控制系統，以控制熱吸氣劑245的溫度。熱吸氣劑245應該在或接近最佳性能的理想溫度。有幾種控制溫度的方法。
第一個控制溫度的優選實施方案是通過利用也用於吸氣模件的外部控制器。吸氣模件要求控制器控制和操作吸氣組件部件例如閥門、質量流量控制器和其它有效部件。熱電偶監測熱吸氣劑245的溫度且提供控制器反饋來源。熱電偶也可以集成於加熱器220上，或置於組合式熱吸氣劑淨化系統200內、外表面的其它地方上。
控制加熱器220溫度的其它方法是通過利用自身溫度限制加熱器220。這樣的加熱器220有集成的溫度開關。集成的溫度開關或相當的電路在加熱器達到規定溫度時切斷流向加熱器220的電流。
另一種控制加熱器220溫度的方法是通過外部控制器精密控制加熱器的電壓和電流來源。隨著加熱器220的溫度增加，電阻加熱器的電阻增加。當加熱器的電阻達到規定電阻時，由控制器切斷電流。
再一種控制加熱器220溫度的方法是平衡的方法，它要求精密調節電壓和電流來源。加熱器220是連續電力加熱。通過淨化器的氣流連續冷卻加熱器220和加熱吸氣劑245。加熱器220的額定電源是連續加熱和冷卻氣流使溫度達到平衡狀態。例如，如果計算和試驗表明溫度平衡狀態在100瓦特熱量時達到，就利用100瓦特的加熱器，並且精密控制加熱器的電流和電壓，使加熱器產生相對穩定的100瓦特熱量。
圖9表示採用本發明組合式熱吸氣劑淨化系統的流程300。在工序302中，氣流進入組合式熱吸氣劑淨化系統200的入口214，進入環形空間206，流向加熱器220。
接著，氣流在工序304中預熱。當氣流通過內殼204壁的受熱面時被預熱，並流向加熱器220。
然後，在工序306中，氣流通過加熱器220加熱到適當的操作溫度。加熱器220加熱氣流和熱吸氣劑245到適當的操作溫度。在此例中，熱淨化材質的溫度一般在200～400℃。也可以利用更低或更高的溫度。熱吸氣劑245的操作溫度取決於熱吸氣劑245的具體類型、氣體類型、雜質負荷、氣體流率和其它變量。
其後，在工序308中，從熱氣流中基本上脫除雜質，如CO2、H2O、CH4、CO、O2以及N2。雜質被熱吸氣劑245吸收。
從熱吸氣劑245出來後，氣流被從操作溫度冷卻到理想的出口溫度。氣流在工序310中通過繞分流器226流過而被冷卻。分流器226將氣流導向內殼204的壁，在此熱氣體耗散了部分熱量，到達內殼204的壁。在如上所述304工序中，被加熱的內殼壁預熱了流過環形空間206的氣體。
在下一工序312中，冷氣體流入位於分流器226和過濾器244之間內部空間的、次要量的、未加熱的冷吸氣劑246中。冷吸氣劑246從氣流中基本脫除殘餘的H2。
在接下來的工序314中，淨化氣流到過濾器244。過濾器244基本上從氣流中脫除顆粒物。過濾器244可以額定為脫除小到0.003μm的顆粒。然後淨化氣用於工序316中打算的用途。
組合式熱吸氣劑淨化系統可以用於任何模件接口設備型用途中，例如任何吸氣模件系統。其它應用包括但不限於下述例子獨立的、直接安裝在終端應用裝備上；或半導體加工工具；或混合氣體集合管；或配氣集合管。其它要求模件接口設備、緊湊形狀和高純度性能的應用。
如上特點的吸氣模件和許多其它的應用是集成電路製造中半導體加工的一部分。其它行業也可以利用組合式熱吸氣劑淨化系統，包括醫療衛生行業、化學分析、化學品加工和製造業、食品加工和測試、製藥、石油化學品製造和分輸等。
儘管本發明只詳細說明了少數實施方案，但是應該理解，在不違背本發明精髓和範圍的情況下，本發明可以體現在許多其它具體形式中。因此，本發明例子和實施方案應該認為是進行說明而不是進行限制，而且本發明不限於此處所給出的細節，而是可以按照後附的權利要求進行改進。
權利要求
1.一種氣體淨化器，包括一個具有第一端和第二端的外殼；一個置於所述外殼中的內殼，使得在所述內殼和所述外殼之間形成環形空間，所述內殼具有內部空間；置於所述內殼內部空間中的一定數量的淨化材料；以及一個入口和一個出口，兩者都鄰近所述外殼的第一端，所述入口與所述環形空間聯通，所述出口與所述內部空間聯通；其中，不純氣體通過所述入口進入所述氣體淨化器，流經所述環形空間達到所述內部空間，通過置於所述內部空間的所述氣體淨化材料，然後經所述出口離開所述氣體淨化器，所述氣體淨化材料能夠捕集至少某些存在於所述不純氣體中的雜質。
2.如權利要求1所述的氣體淨化器，其進一步包括加熱所述氣體淨化器的加熱器，所述加熱器與該淨化器的第二端部至少有部分接觸，該第二端部包括第二端和靠近第二端的外殼。
3.如權利要求2所述的氣體淨化器，其進一步包括至少與某些所述淨化材料接觸的加熱器。
4.如權利要求2所述的氣體淨化器，其進一步包括置於所述外殼第一端和所述加熱器之間的所述內部空間的分流器。
5.如權利要求4所述的氣體淨化器，其中，所述分流器包括一種陶瓷材料。
6.如權利要求1所述的氣體淨化器，其中，所述淨化材料是一種選自Zr、Ti、Nb、Ta、V及其合金的吸氣劑材料。
7.如權利要求6所述的氣體淨化器，其進一步包括至少與某些所述淨化材料接觸的加熱器。
8.如權利要求7所述的氣體淨化器，其進一步包括置於所述內部空間的、在所述外殼第一端和所述加熱器之間的分流器。
9.如權利要求8所述的氣體淨化器，其中，所述分流器包括一種陶瓷材料。
10.如權利要求6所述的氣體淨化器，其進一步包括置於所述內部空間、靠近所述出口的過濾器。
11.如權利要求10所述的氣體淨化器，其中，所述過濾器包括燒結不鏽鋼。
12.如權利要求10所述的氣體淨化器，其中，所述過濾器基本能從所述出口氣流中脫除小到0.003μm的顆粒。
13.如權利要求6所述的氣體淨化器，其進一步包括在所述第一端上的吸氣模件接口設備。
14.如權利要求1所述的氣體淨化器，其進一步包括置於所述內部空間、靠近所述出口的過濾器。
15.如權利要求14所述的氣體淨化器，其中，所述過濾器包括燒結不鏽鋼。
16.如權利要求14所述的氣體淨化器，其中，所述過濾器基本能從所述出口氣流中脫除小到0.003μm的顆粒。
17.如權利要求1所述的氣體淨化器，其進一步包括在所述第一端上的吸氣模件接口設備。
18.如權利要求17所述的氣體淨化器，其中，吸氣模件接口設備與吸氣模件基座聯通。
19.一種淨化氣體的方法，包括氣體流入淨化裝置第一端上的入口；加熱所述氣體；所述氣體與淨化材料接觸；以及所述氣體從所述淨化裝置第一端上的出口流出。
20.如權利要求19所述的方法，其進一步包括在所述氣體接觸淨化材料之前預熱所述氣體。
21.如權利要求19所述的方法，其中，所述淨化材料是一種選自Zr、Ti、Nb、Ta、V及其合金的吸氣劑材料。
22.如權利要求21所述的方法，其進一步包括在所述氣體接觸淨化材料之前預熱所述氣體。
23.如權利要求22所述的方法，其進一步包括在所述氣體從所述出口流出之前冷卻所述氣體。
24.如權利要求23所述的方法，其進一步包括在所述氣體從所述出口流出之前過濾所述冷卻的氣體。
25.一種換熱器，包括一個具有第一端和第二端的長條外殼；一個置於所述外殼中的長條內殼，使得在所述內殼和所述外殼之間形成環形空間，所述長條內殼具有內部空間；一個加熱所述換熱器的加熱器，所述加熱器至少與所述換熱器第二端部接觸，該第二端部包括第二端和靠近第二端的外殼部分；一個置於所述內部空間的、在所述外殼第一端和所述第二端之間的分流器；以及一個入口和一個出口，兩者均鄰近所述外殼的第一端，所述入口與所述環形空間聯通，所述出口與所述內部空間聯通；其中，氣體通過所述入口進入所述換熱器，流過所述環形空間，通過所述第二端部進入所述內部空間，繞過置於所述內部空間的所述分流器，然後經所述出口離開所述換熱器，所述第二端部適於加熱所述氣體，所述分流器適於將所述被加熱的氣流導向所述內殼壁，所述內殼壁適於將所述氣體攜帶的至少部分熱量傳遞給在所述環形空間中流動的氣流。
26.一種預熱氣體的方法，包括氣體流入換熱器第一端上的入口；所述氣體與第一個受熱表面的第一側接觸；所述氣體與第二個受熱表面接觸；所述氣體被折流，使得氣體與第一個受熱表面的第二側接觸；以及所述氣體從所述換熱器的所述第一端上的出口流出；其中，所述被加熱的氣體將熱量傳遞給所述第一個受熱表面的第二側。
全文摘要
本發明涉及一種利用熱吸氣劑淨化系統(200)的優異性能淨化各種氣體的方法和設備,它比先前的多段熱吸氣劑系統小型化,包括內殼(204)、外殼(202)和一個整體的再生換熱器,以提高加熱器(220)的效率和冷卻淨化氣。一個顆粒物過濾器(244)從氣流中脫除顆粒物。一個針對各種吸氣模件底座結構的接口設備(216),在組合式熱吸氣劑淨化系統(200)的一端有入口(214)和出口(212)。入口氣被整體式換熱器預熱,然後加熱到操作溫度200～400℃。熱吸氣劑(245)從氣體中脫除各種雜質,然後氣體在整體式換熱器中冷卻,暴露於次要量的冷吸氣劑(246)中脫除剩餘雜質,並在排出使用之前最好經過濾器(244)脫除殘餘顆粒物。
文檔編號B01J20/02GK1355720SQ00808734
公開日2002年6月26日 申請日期2000年6月8日 優先權日1999年6月10日
發明者查理·H·阿普爾加思 申請人:賽斯純淨氣體公司