في صناعة أشباه الموصلات، يُتوقع من أنظمة التوزيع المبردة أن تقوم بأكثر من مجرد نقل النيتروجين السائل أو الأرجون من نقطة إلى أخرى. يجب أن يظل السائل مستقرًا ونظيفًا وأحادي الطور طوال الطريق إلى نقطة الاستخدام. حتى كميات ضئيلة من تسرب الحرارة يمكن أن تُولّد غازًا متطايرًا، أو تقلبات في الضغط، أو تلوثًا بالرطوبة، مما يؤثر على استقرار العملية.

لهذا السببأنبوب معزول بتفريغ الهواءتُستخدم هذه الأنظمة بشكل شائع في مصانع أشباه الموصلات بدلاً من الأنابيب التقليدية المعزولة بالرغوة. عند دمجها مع إدارة سليمةنظام مضخة تفريغ ديناميكية، يمكن أن يظل التسرب الحراري الإجمالي أقل من 3 واط/م مع الحفاظ على استقرار الفراغ على المدى الطويل عبر خط النقل بأكمله.

في تطبيقات أشباه الموصلات، لا ينبغي النظر إلى العزل الفراغي كطبقة خاملة حول الأنبوب، بل هو نظام حراري فعال يتطلب أداءً فراغيًا قابلًا للقياس وقابلية صيانة طويلة الأمد. في بيئات تصنيع الرقائق عالية الدقة، قد تؤدي حتى الزيادة الطفيفة في درجة حرارة تشبع السائل إلى ظروف تدفق ثنائي الطور، مما يعيق دوائر التبريد وأنظمة التنقية ومعدات التحكم في العمليات.

لماذا يُعدّ تسرب الحرارة أمرًا مهمًا في أنظمة أشباه الموصلات المبردة؟

يتأثر كل خط نقل مبرد بثلاثة أشكال أساسية لانتقال الحرارة:

• الإشعاع عبر الفراغ الحلقي
• التوصيل الغازي الناتج عن الجزيئات المتبقية
• التوصيل الصلب عبر الدعامات والفواصل

في تصميم مناسبأنبوب معزول بتفريغ الهواء، عادةً ما يتم تقليل الضغط الحلقي إلى أقل من 1×10⁻⁴ باسكال. عند مستوى الفراغ هذا، يكون لجزيئات الغاز المتبقية مسار حر متوسط ​​أكبر بكثير من الفجوة الحلقية، مما يقلل بشكل كبير من توصيل الحرارة الغازية.

يتم التحكم في انتقال الحرارة الإشعاعية باستخدام عزل متعدد الطبقات. يتكون هذا العزل من طبقات متناوبة من رقائق عاكسة ومادة فاصلة منخفضة التوصيل الحراري. مع الكثافة المناسبة للطبقات وطريقة التركيب الصحيحة، يمكن تقليل تدفق الحرارة الإشعاعية إلى بضعة واط فقط لكل متر مربع.

يأتي المسار الحراري المتبقي بشكل رئيسي من الدعامات الميكانيكية. وللحد من هذا التأثير، تُستخدم عادةً مواد منخفضة التوصيل الحراري مثل الألياف الزجاجية G-10 أو مادة تورلون®. ومع ذلك، لا تزال هذه الدعامات بحاجة إلى قوة ميكانيكية كافية لتحمل الانكماش الحراري والاهتزازات والأحمال الزلزالية أثناء التشغيل.

على مسافات انتقال طويلة، يصبح الفرق بين العزل الفراغي والعزل الرغوي واضحًا جدًا. يمكن لنظام فراغي مُصان جيدًا أن يحافظ على أداء حراري مستقر لسنوات عديدة، بينما يمتص العزل الرغوي الرطوبة من الجو تدريجيًا. وبمجرد دخول الرطوبة إلى بنية العزل وتجمدها، تنخفض الكفاءة الحرارية عادةً بمرور الوقت.

في أنظمة توزيع النيتروجين السائل لأشباه الموصلات العملية،أنابيب معزولة بالتفريغيمكن أن يقلل من التبخر بشكل كبير مقارنة بالخطوط المعزولة بالرغوة التقليدية، خاصة في المسارات الخارجية الطويلة أو رؤوس التوزيع الرئيسية التي تعمل باستمرار.

نظام مضخة تفريغ ديناميكية

تتمثل إحدى المشكلات المتعلقة بالأغلفة الفراغية الثابتة في أن جودة الفراغ قد تتدهور ببطء على مر السنين بسبب انبعاث الغازات أو تسرب الهيليوم أو التسرب المجهري.

ولحل هذه المشكلة، القطر الكبيرأنبوب معزول بتفريغ الهواءيمكن تجهيز الأنظمة بـنظام مضخة تفريغ ديناميكيةيتضمن النظام عادةً ترتيب مضخة توربينية جزيئية أو حلزونية مدمجة تعمل بشكل دوري على استعادة الفراغ الحلقي إلى حالة التصميم الأصلية.

تُراقَب مستويات الفراغ باستمرار باستخدام مقاييس الكاثود البارد. ولا تعمل المضخة إلا عندما يرتفع الضغط فوق نقطة الضبط المستهدفة، لذا يظل استهلاك الطاقة ومتطلبات الصيانة منخفضة نسبيًا.

في أحد مشاريع تحديث مصنع أشباه الموصلات في هسينتشو، تايوان، مكّن نظام ضخ فراغ مُدار بفعالية وحدة نقل النيتروجين السائل القديمة من استعادة أدائها الحراري إلى مستوى قريب من حالة التشغيل الأصلية دون إيقاف خط الإنتاج. وفي المشاريع الجديدة، يمنح نظام الصيانة الفراغية الفعال المشغلين ثقة أكبر في استقرار العزل على المدى الطويل طوال عمر النظام.

تصميم المواد والأنظمة

بالنسبة لتطبيقات أشباه الموصلات والتطبيقات فائقة النقاء، يُصنع أنبوب المعالجة الداخلي عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ 304L أو 316L. تُنظف الأسطح الداخلية وتُزال منها الشوائب وتُعالج بالتخميل لتلبية متطلبات الخدمة النظيفة بالأكسجين وتقليل مخاطر التلوث.

قد يُصنع الغلاف الخارجي من الفولاذ الكربوني المطلي أو الفولاذ المقاوم للصدأ، وذلك حسب بيئة التركيب. في المناطق المجاورة للغرف النظيفة، يُفضل استخدام الأغلفة الخارجية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ لتجنب التآكل أو تلوث السطح.

يجب أيضًا مراعاة الانكماش الحراري بعناية. إذ يمكن أن ينكمش خط نقل النيتروجين السائل بمقدار 2.5 إلى 3 ملم لكل متر تقريبًا بين درجة الحرارة المحيطة ودرجة حرارة التشغيل. ولامتصاص هذا الانكماش، تُركّب عادةً مُعَوِّضات التمدد من نوع المنفاخ في مواقع تثبيت مُحدَّدة بدقة على امتداد شبكة الأنابيب.

حيثما تكون الحركة أو المرونة مطلوبة،خرطوم مرن معزول بتفريغ الهواءتُستخدم التجميعات بشكل شائع. وتشمل المواقع النموذجية وصلات الخزانات، ووصلات المعدات، وفروع المشعب، ووحدات المعالجة المتنقلة.

تستخدم هذه الخراطيم المرنة لبًا داخليًا مموجًا مع غلاف مفرغ من الهواء وبنية عازلة متعددة الطبقات، على غرار أنابيب التفريغ الصلبة. ويمكن للتصميمات المناسبة الحفاظ على سلامة الفراغ بعد دورات التبريد والتسخين المتكررة، مع منع تكون الجليد الخارجي الشائع في الخراطيم المضفرة غير المعزولة.

صمامات معزولة بالتفريغوفواصل الطور

لا تقتصر معالجة تسرب الحرارة على أجزاء الأنابيب المستقيمة فقط، بل تشمل أيضاً الصمامات وفواصل الطوركما أنها تلعب دورًا رئيسيًا في الحفاظ على ظروف التدفق المبرد المستقرة.

A صمام معزول بتفريغ الهواءتستخدم عادةً غطاءً ممتداً وجسماً مغلفاً بتفريغ الهواء لحماية مناطق منع التسرب الحساسة من درجات الحرارة المنخفضة للغاية. يساعد ذلك على منع التجمد حول حشوة ساق الصمام ويقلل من التكثف غير المرغوب فيه داخل هيكل الصمام.

بدون عزل فراغي، قد تصبح الصمامات نقاط تسرب حراري مركزة داخل النظام. في تطبيقات التبريد السائل، قد يؤدي ذلك إلى تكوين جيوب بخارية موضعية، أو ظروف تدفق غير مستقرة، أو ظاهرة الطرق المائي.

بالنسبة لأنظمة معالجة أشباه الموصلات، تُستخدم صمامات الكرة ذات الغطاء الممتد وصمامات الكرة ذات المدخل العلوي بشكل شائع وفقًا لمتطلبات ASME B31.3 و EN 13480.

A فاصل طور معزول بالتفريغتُستخدم هذه التقنية لإزالة الغازات المتطايرة قبل دخول السائل إلى المعدات الحساسة في المراحل اللاحقة. في تطبيقات أشباه الموصلات، قد يؤدي التدفق غير المستقر ثنائي الطور إلى تقلبات ضغط كبيرة كافية لتفعيل أجهزة الإنذار في العملية أو أجهزة التعشيق في المعدات.

تستخدم معظم تصميمات الفواصل مدخلاً مماساً مع هيكل داخلي لإزالة الرذاذ لتحسين كفاءة فصل البخار عن السائل. في العديد من المشاريع، يُدمج الفاصل مع خزان صغير مُثبَّت بالقرب من أرضية العملية. يعمل الخزان الصغير كحجم عازل محلي يساعد على استقرار تقلبات الطلب قصيرة الأجل دون إضافة حمل حراري إضافي كبير.

مثال على مشروع أشباه الموصلات

تطلب مشروع توسيع منشأة DRAM في كوريا الجنوبية شبكة توزيع جديدة للنيتروجين السائل (LN₂) لخدمة معدات الاختبار المبردة بالغمر وأدوات معالجة الرقائق.

تضمنت عملية التركيب ما يقارب 180 متراً من الأنابيب الصلبة المعزولة بتفريغ الهواء، والموصولة بفروع متعددة للأدوات عبر وصلات خراطيم مرنة معزولة بتفريغ الهواء. كما تم تركيب فاصل طور معزول بتفريغ الهواء وخزان صغير بسعة 2 متر مكعب بالقرب من منطقة التخزين الرئيسية.

حافظ نظام مضخة التفريغ الديناميكي على ضغط حلقي أقل من 5×10⁻⁶ ملي بار على خطوط النقل الرئيسية مقاس 6 بوصات.

أثناء التشغيل التجريبي، بلغ متوسط ​​تسرب الحرارة المقاس على المجمع الرئيسي حوالي 1.3 واط/متر مربع في ظل ظروف تشغيل مستقرة. وبعد عام من الخدمة المتواصلة، حافظت دورات استعادة الفراغ الدورية على أداء العزل قريبًا من حالته الأساسية الأصلية.

بالمقارنة مع المفهوم السابق للعزل بالرغوة، سجلت المنشأة انخفاضًا ملحوظًا في فقدان النيتروجين السائل وتحسنًا في استقرار التشغيل. كما لم تُظهر سجلات العمليات أي حالات تلوث مرتبطة بالرطوبة ناتجة عن تدهور العزل.

التطبيقات

تُستخدم أنظمة النقل المبردة المعزولة بالفراغ على نطاق واسع في تصنيع أشباه الموصلات، والبنية التحتية للغاز الطبيعي المسال، وتوزيع الغاز الصناعي، وتطبيقات الهيدروجين السائل.

على الرغم من اختلاف بيئات التشغيل، إلا أن الهدف الهندسي يبقى كما هو:

• الحفاظ على استقرار الفراغ
• تقليل دخول الحرارة
• الحفاظ على استقرار الطور طوال عملية النقل

عادةً ما يتبع تصميم النظام المعايير الدولية مثل ASME B31.3 و EN 13480 و ISO 21029 اعتمادًا على نطاق المشروع والمتطلبات الإقليمية.

بالنسبة لمنشآت أشباه الموصلات، يؤثر أداء نظام التوزيع المبرد بشكل مباشر على كفاءة التشغيل، واستهلاك السوائل، وموثوقية العمليات على المدى الطويل. ولذلك، ينبغي تصميم الأنابيب والصمامات والفواصل وأنظمة صيانة الفراغ كنظام حراري متكامل بدلاً من مكونات منفصلة.

At شركة HL للتبريدنحن نعمل مع مقاولي الهندسة والمشتريات والإنشاءات وشركات الغاز ومرافق أشباه الموصلات لتطوير حلول نقل المواد المبردة بناءً على ظروف التشغيل الفعلية وأهداف الحمل الحراري ومتطلبات التركيب بدلاً من التكوينات القياسية الموجودة في الكتالوج.

إذا كنت تخطط لمشروع مصنع أشباه موصلات جديد أو ترقية شبكة توزيع LN₂ الحالية، فيمكن لفريقنا الهندسي المساعدة في تقييم أداء تسرب الحرارة واستراتيجية الفراغ وتكوين النظام للتشغيل طويل الأجل.