Lähenemistemperatuur, mis määrab suuruse
Pooljuhtmärgpink, mis töötab väävelhappe-vesinikperoksiidi seguga 140 kraadi juures, vajab temperatuuri hoidmiseks soojusvahetit. Hooldusvedelikuks on 160 kraadine aur, mis annab lähenemistemperatuuriks 20 kraadi.
Lähenemistemperatuur on vahe töövedeliku temperatuuri ja protsessivedeliku temperatuuri vahel kohas, kus need kaks vedelikku on kõige lähemal. Vastuvoolu-soojusvaheti puhul on lähim lähenemine protsessi väljalaskeavale ja teenindusavale. Paralleelvoolu-soojusvaheti puhul on lähim lähenemine protsessi väljalaskeavale ja hoolduse sisselaskeavale.
Antud soojuskoormuse korral on vajalik pindala pöördvõrdeline logaritmilise keskmise temperatuuri erinevusega (LMTD), mis on lähenemistemperatuuri funktsioon. Väiksem lähenemistemperatuur annab väiksema LMTD ja nõuab suuremat pindala.
LMTD ja pindala suhe
Keskmine temperatuuride erinevus arvutatakse soojusvaheti kahe otsa temperatuuride erinevuste põhjal. Vastu-voolukorralduse puhul, mille protsessi sisselaskeava on 140 kraadi , protsessi väljalaskeava 140 kraadi (isotermiline protsess), teenindussisend 160 kraadi ja teenindusväljund 150 kraadi, on LMTD ligikaudu 15 kraadi .
20 kW soojusvaheti puhul, mille soojusülekandetegur on 200 W/m²·K ja LMTD 15 kraadi, on nõutav pindala 6,7 m². Kui lähenemistemperatuuri alandatakse 10 kraadini, langeb LMTD ligikaudu 7,5 kraadini ja vajalik pindala suureneb 13,3 m²-ni.
Pindala kahekordistub, kui lähenemistemperatuuri vähendatakse poole võrra. Proportsionaalselt suureneb kapitalikulu ja suureneb ka jalajälg. Pooljuhtmärgadel pinkidel, kus saadaolev ruum on piiratud, ei pruugi suurem pindala olla teostatav.
Protsessi temperatuuri taluvuse piirang
Lähenemistemperatuuri piirab protsessi temperatuuri tolerants. Pooljuhtide märgtöötlemisel tuleb protsessi temperatuuri hoida tolerantsi piires, mis on tavaliselt ±1 kraad või kõrgem. Kasutusvedeliku temperatuur peab olema piisavalt kõrge soojusülekande käivitamiseks, kuid mitte nii kõrge, et see ületaks protsessi temperatuuri.
Kui töövedeliku temperatuur on protsessitemperatuurile liiga lähedal, on soojusülekande kiirus madal ja soojusvaheti peab olema suur. Kui töövedeliku temperatuur on liiga kõrge, võib protsessi temperatuur üleminekute ajal ületada ja juhtimissüsteem peab olema keerukam.
Optimaalne lähenemistemperatuur on see, mis tasakaalustab soojusvaheti suurust ja reguleerimise keerukust. Kõrgem lähenemistemperatuur vähendab soojusvaheti suurust, kuid suurendab juhtimise keerukust ja ületamise ohtu. Väiksem lähenemistemperatuur suurendab soojusvaheti suurust, kuid annab suurema reguleerimisvaru.
Teenusvedeliku saadavuse piirang
Lähenemistemperatuuri piirab ka hooldusvedeliku saadavus. Aur on saadaval piiratud arvul rõhkudel ja igale rõhule vastav küllastunud temperatuur on fikseeritud. Protsessi 140 kraadi juures annab 4 baari aur küllastustemperatuuriks 152 kraadi, mis annab lähenemistemperatuuriks 12 kraadi. Aur 6 baari juures annab küllastustemperatuuriks 165 kraadi, mis annab lähenemistemperatuuriks 25 kraadi.
Aururõhu valik määrab lähenemistemperatuuri ja soojusvaheti suuruse. Kõrgem aururõhk tagab suurema lähenemistemperatuuri ja väiksema soojusvaheti, kuid kõrgem temperatuur suurendab toru seina temperatuuri ja PTFE lagunemiskiirust.
Puhtuse piirang pooljuhtide teenuses
Pooljuhtide märgtöötlusel ei tohi soojusvaheti protsessivedelikku saastuda. Toruseina temperatuur mõjutab PTFE leostumise kiirust ja kõrgem seina temperatuur suurendab leostumiskiirust. Lähenemistemperatuur määrab seina temperatuuri antud soojusvoo jaoks.
Väiksem lähenemistemperatuur nõuab suuremat pinda ja väiksemat soojusvoogu, mis vähendab toru seina temperatuuri ja leostumiskiirust. Suurem lähenemistemperatuur võimaldab väiksemat pinda ja suuremat soojusvoogu, mis suurendab seina temperatuuri ja leostumiskiirust.
Puhtusenõue soosib seetõttu väiksemat lähenemistemperatuuri ja suuremat soojusvahetit. Kompromiss- on suurema soojusvaheti kapitalikulu ja väiksemast leostumismäärast tuleneva puhtusetulu vahel.
Pooljuhtide märgtöötluse lähenemistemperatuuride võrdlemine
Järgmises tabelis on kokku võetud soojusvaheti suurus ja jõudlus erinevatel lähenemistemperatuuridel pooljuhtmärgpingis, mis töötab 140 kraadi juures 20 kW soojuskoormusega.
| Lähenemistemperatuur | LMTD | Nõutav pindala | Soojusvoog | Toru seina temperatuur | Leostumise määr | Kapitali maksumus |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 5 kraadi | 4 kraadi | 25 m² | 0,8 W/cm² | 155 kraadi | Väga madal | $52,000 |
| 10 kraadi | 8 kraadi | 12.5 m² | 1,6 W/cm² | 170 kraadi | Madal | $32,000 |
| 15 kraadi | 12 kraadi | 8.3 m² | 2,4 W/cm² | 185 kraadi | Mõõdukas | $24,000 |
| 20 kraadi | 16 kraadi | 6.3 m² | 3,2 W/cm² | 200 kraadi | Kõrge | $19,000 |
| 25 kraadi | 20 kraadi | 5.0 m² | 4,0 W/cm² | 215 kraadi | Väga kõrge | $16,000 |
| 30 kraadi | 24 kraadi | 4.2 m² | 4,8 W/cm² | 230 kraadi | Ekstreemne | $14,000 |
Toruseina temperatuur arvutatakse soojusvoo ja toruseina soojustakistusest 0,8 mm PTFE seina puhul. Leostuskiirus on kvalitatiivne hinnang, mis põhineb seina temperatuuril ja PTFE teadaoleval leostumiskäitumisel kõrge puhtusastmega hapete kasutamisel.
Lähenemistemperatuuri praktilised piirid
Lähenemistemperatuuri praktilised piirid pooljuhtide märgtöötlemisel määratakse{0}}soojusvaheti suuruse ja seina temperatuuri vahelise kompromissiga. Väga väike lähenemistemperatuur nõuab väga suurt soojusvahetit, mis ei pruugi vabasse ruumi mahtuda. Väga kõrge lähenemistemperatuur nõuab väga kõrget seina temperatuuri, mis võib ületada PTFE lagunemisläve.
Enamiku pooljuhtide märgtöötlusrakenduste puhul on praktiline lähenemistemperatuuri vahemik 10–20 kraadi. Alla 10 kraadi muutub soojusvaheti ebapraktiliselt suureks. Üle 20 kraadi muutub seina temperatuur piisavalt kõrgeks, et kiirendada PTFE lagunemist ja leostumiskiirust.
Disainifunktsioonid, mis võimaldavad madalamat lähenemistemperatuuri
Mitmed disainifunktsioonid võimaldavad madalamat lähenemistemperatuuri ilma soojusvaheti suurust liigselt suurendamata.
Suurema juhtivusega torumaterjal.Täidetud PTFE-ühendil soojusjuhtivusega 0,5 W/m·K on seina soojustakistus poole võrra väiksem kui PTFE-l. Väiksem takistus võimaldab suuremat soojusvoogu sama seinatemperatuuri korral, mis vähendab vajalikku pinda.
Õhem torusein.Õhem sein vähendab soojustakistust ja võimaldab suuremat soojusvoogu sama seinatemperatuuri korral. 0,5 mm seina soojustakistus on poole väiksem kui 1,0 mm seinal.
Suurem voolukiirus.Suurem voolukiirus suurendab kilekoefitsiente mõlemal pool toru seina, mis suurendab üldist soojusülekandetegurit ja vähendab vajalikku pindala.
Täiustatud toru pind.Uimede või soontega torupind suurendab pindala pikkuseühiku kohta ja kilekoefitsienti. Täiustatud pind võimaldab madalamat lähenemistemperatuuri ilma soojusvaheti suurust liigselt suurendamata.
Jagatud soojusvaheti konfiguratsioon.Soojuskoormuse jagamine kahe väiksema soojusvaheti vahel võimaldab igal seadmel töötada madalamal lähenemistemperatuuril ilma ühe suure seadme ruumipuuduseta.
Pooljuhtide märgtöötluse spetsifikatsiooniparameetrid
Seadmeinsenerid, kes määravad pooljuhtide märgtöötluseks PTFE soojusvaheti, peaksid tarnijaga kinnitama järgmised parameetrid.
Protsessi temperatuur.Määrake protsessi temperatuur ja tolerants.
Hooldusvedeliku temperatuur.Määrake hooldusvedeliku temperatuur ja saadaolev rõhk.
Temperatuurile lähenemine.Määrake lähenemistemperatuur protsessi tolerantsi ja hooldusvedeliku saadavuse põhjal.
Soojuskoormus ja pindala.Määrake soojuskoormus ja vajalik pindala.
Soojusvoog.Määrake maksimaalne lubatud soojusvoog seina temperatuuripiirangu alusel.
Toru seina paksus.Määrake toru seina paksus soojusvoo ja seina lubatud temperatuuri alusel.
Toru materjal.Määrake toru materjal seina temperatuuri ja leostumiskiiruse alusel.
Puhtuse nõue.Määrake metalliioonide, osakeste ja orgaaniliste ühendite maksimaalne lubatud saastetase.
Ruumipiirangud.Määrake saadaolev ruum ja maksimaalne lubatud jalajälg.
Lähenemistemperatuuri ja protsessinõuete sobitamine
Lähenemistemperatuur määrab LMTD, vajaliku pinna ja toru seina temperatuuri PTFE soojusvahetis pooljuhtide märgtöötluseks. Väiksem lähenemistemperatuur nõuab suuremat soojusvahetit, kuid tagab madalama seinatemperatuuri ja väiksema leostumiskiiruse. Suurem lähenemistemperatuur võimaldab väiksemat soojusvahetit, kuid suurendab seina temperatuuri ja leostumiskiirust.
Lähenemistemperatuur tuleks valida protsessi tolerantsi, hooldusvedeliku saadavuse, puhtusenõude ja ruumipiirangute põhjal. Lihtne tabelimudel koos soojusülekande arvutuse ja kuluandmetega annab optimaalse lähenemistemperatuuri valimiseks vajaliku teabe.
Pooljuhtide märgtöötlemisrajatiste puhul, mis hindavad PTFE-soojusvaheti võimalusi, tuleks lähenemistemperatuur hankedokumentides täpsustada ja seda kontrollida kasutuselevõtul. Tootja pakutav vaikekonfiguratsioon võib olla optimeeritud pigem kompaktsuse kui puhtuse jaoks ja sellest tulenev seinatemperatuur võib ületada lagunemisläve.
Seadmeinsenerid ja hankespetsialistid, kes hindavad PTFE-soojusvaheti spetsifikatsioone pooljuhtide märgtöötlemiseks või muuks kõrge-puhtusega teenuseks, võivad taotleda projekti ülevaatust, mis hõlmab protsessi temperatuuri, töövedeliku temperatuuri, lähenemistemperatuuri, soojusvoogu, toru seina paksust ja toru materjali, et veenduda, et seade vastab tegelikele protsessinõuetele ja rajatise puhtusepiirangutele.
