Как правильный монтаж шлангов может снизить затраты предприятия

Небольшие изменения в методах установки шлангов могут привести к значительной экономии в производстве полупроводников

Точный контроль температуры здесь играет важнейшую роль. Химические реакции во время атомно-слоевого осаждения (ALD), атомно-слоевого травления (ALE) и других процессов, используемых для создания рабочих пластин, сопровождаются очень высокими температурами. Без их точного контроля толщина пленки и эффективность процесса могут ухудшиться. Из-за высокой температуры сами пластины и оборудование необходимо охлаждать, чтобы избежать повреждений.

В полупроводниковых камерах пластины устанавливают на специальные электростатические держатели, куда подается хладоген. Эффективность их работы зависит от того, что происходит за пределами самого оборудования – в технических помещениях с охладителями и в шлангах, которые подают холодные среды к технологическим устройствам.

Работа таких «тепловых контуров», включающих циркуляцию через систему шлангов, может существенно повлиять на рентабельность производства. Остановка работы из-за поломок или удаления воды от конденсата на шлангах в техническом помещении может сильно снизить выпуск готовых изделий. Даже при отсутствии внеплановых простоев, неправильная изоляция или монтаж шлангов, а также ошибки технического характера могут сильно увеличить энергопотребление и расходы на эксплуатацию.

В этой статье мы объясним, как не допускать ошибок при установке и прокладке шлангов в полупроводниковой отрасли. Более подробную информацию об устранении проблем с помощью надлежащей теплоизоляции шлангов вы можете найти здесь. Чтобы лучше разобраться, как повысить выход пластин за счет правильного контроля температуры, прочитайте статью  на эту тему.

Рекомендации по установке и прокладке шлангов теплоизоляцией на полупроводниковом производстве

Многие ошибочно думают, что при сильных перепадах температуры между охладителями и рабочим оборудованием нужно просто добавить больше теплоизоляции или поменять шланги. Иногда проблема действительно заключается в малой толщине теплоизоляции или неправильном выборе шланга. Использование аэрогельной изоляции с низкой теплопроводностью или металлического шланга с вакуумной изоляцией может снизить потери энергии, когда хладоген и среда становятся очень горячими. Однако в других случаях недостаточная эффективность работы шлангов может быть связана с их установкой, независимо от степени теплоизоляции. Несмотря на ограниченность свободного места в производстве полупроводников, чтобы гарантировать оптимальные эксплуатационные характеристики оборудования, следует по возможности придерживаться лучших практик монтажа и прокладки шлангов.

Особенности монтажа и конструкции шлангов

Конструкция и монтаж шланга могут влиять на термическую стабильность транспортируемой среды. Рассмотрим, к примеру, торцевые соединения. В ряде случаев следует предусмотреть изоляцию открытых торцевых соединений во избежание конденсата, даже если основной участок шланга имеет теплоизоляцию. Также следует убедиться в правильной установке торцевых соединений, чтобы предупредить нежелательные утечки или неконтролируемую передачу тепла.

Торцевые соединения изолированных шлангов могут быть разными, но, для вакуумно-изолированных шлангов Swagelok^® FV и шлангов Swagelok^® Y с изоляцией торцы выполнены в виде отожженных патрубков. Такие патрубки могут подключаться к другим компонентам или оборудованию стыковой сваркой, через "быстрые" соединения Swagelok^®, фитинги Swagelok^® VCR с металлической прокладкой, либо стандартные трубные фитинги Swagelok^®. При использовании трубных фитингов Swagelok необходимо строго соблюдать инструкции по монтажу с целью предупреждения утечек или неконтролируемого теплообмена. См. пошаговые инструкции по монтажу на Рисунке 1.

 
Вставьте трубку в фитинг до упора в выступ; закрутите гайку вручную.

 
Отметьте на гайке точку, соответствующую положению часовой стрелки на 6 часов.

Удерживая неподвижно корпус фитинга, затяните гайку на 1 1/4 оборота, так чтобы отмеченная точка оказалась в положении на 9 часов.

 

Рисунок 1: Монтаж трубного обжимного фитинга Swagelok

Во время первичного обжима, для проверки достаточности затяжки фитинга можно использовать щуп Swagelok для контроля зазоров. См. Рисунок 2 ниже.

Как правило, шланги диаметром более 1” идут с предварительно обжатыми гайками и кольцами. Предварительно обжатые гайки >1" требуют доворачивания на 1/2 оборота.

Рекомендации по прокладке шлангов

Даже при высоком качестве изготовления шланга, его рабочие характеристики в значительной степени зависят от монтажа на объекте. При экстремально холодных или горячих температурах среды, маршрутная схема шлангов напрямую влияет на риск образования конденсата и перегретых участков. Ниже перечислены рекомендуемые практики для оптимальной работы шлангов.

Соблюдайте минимальную длину прямого участка: Необходимо строго придерживаться требуемых значений, опубликованных в каталогах шланговых изделий. Изгиб шлангов слишком близко к торцевому соединению может повредить стенки шланга, и привести к утечкам, разрыву или сокращению срока эксплуатации.

Неправильно 

Правильно  

Неправильно 

Правильно 

Рисунок 3: Минимальная длина прямого участка - примеры неправильной и правильной установки

Соблюдайте минимальный радиус изгиба: Аналогично, следуйте официально указанным значениям. Установка шлангов с меньшими радиусами изгиба может привести к перегибу и сокращению их срока службы. При изгибе шланга изоляция может растягиваться или сжиматься, что ухудшает его рабочие характеристики.

На внешней стороне изгиба изоляция растягивается и истончается 

 

На внутренней стороне сжимается

Рисунок 4: Влияние минимального радиуса изгиба на изоляцию

Конструктивные меры для исключения натяжения шланга:  Натяжение шланга может возникать под действием силы тяжести, которая тянет его вниз и вызывает нагрузку в районе соединения. Рекомендуется применять угловые фитинги и адаптеры для уменьшения или предупреждения натяжения шланга в торцевых зонах. При установке углового фитинга или адаптера может возникнуть необходимость в изменении длины шланга, однако проектирование системы с учетом изложенных рекомендаций способствует увеличению его срока эксплуатации.

 

 
Неправильно

 
Правильно

Рисунок 5: Натяжение шланга: примеры некорректного и корректного исполнения

Учитывайте изгибы в плоскостях: Не допускайте скручивания шланга. Шланги следует изгибать исключительно в одной плоскости, чтобы предотвратить избыточные нагрузки. Для сложных изгибов следует использовать несколько отрезков шланга или другие методы изоляции.

 

 
Неправильно

 
Правильно

Рисунок 6: Изгибы в плоскостях: примеры некорректного и корректного исполнения

Соблюдайте необходимые интервалы: Когда шлангов для горячих или холодных сред расположены слишком близко друг к другу, их поверхностная температура может изменяться ввиду отсутствия достаточного воздушного зазора между шлангами. Близкое размещение холодных шлангов может вызвать падение температуры оболочки ниже точки росы, что в свою очередь вызовет конденсацию. Расположение горячих шлангов слишком близко друг к другу может привести к образованию горячих очагов с температурой выше допустимой.

Чем меньше расстояние (d) между шлангами, тем ближе будет температура воздуха (T_окр.ср.) между ними к температуре технологической среды (Tm) в шланге. В качестве общего правила рекомендуется выдерживать между шлангами (например, с изоляцией Swagelok Y) расстояние не менее трех внешних диаметров, чтобы предупредить образование конденсата. В ограниченном пространстве можно использовать специальные проставки, которые разводят шланги. Даже один-два дюйма зазора могут существенно повлиять на теплоотвод!

Дополнительная информация о правилах монтажа шланговых изделий

Зачем требуется корректная установка шлангов на полупроводниковом производстве?

Шланги могут показаться простыми элементами по сравнению с другим технологическим оборудованием, однако многое будет зависеть от их правильного выбора, прокладки, монтажа и обслуживания. Для наглядности рассмотрим пример, показывающий, насколько важны шланги:

• Предположим, что камера установки должна получать хладоген при температуре –20°C, но из-за плохой теплоизоляции и неправильного монтажа шлангов охладитель будет вынужден работать с уставкой –25°C, чтобы обеспечить на входе требуемые –20°C. После циркуляции, хладоген может нагреться до –17 °C, что создает температурный перепад в Δ5°C, который должен быть учтен охладителем.
• При стоимости $0,13/час за каждый градус охлаждения и непрерывной работе установки 52 недели в году, годовые энергозатраты на один охладитель составят $5600
• В случае одновременного использования 10 охладителей, годовые энергозатраты составят $56000. Если на производстве работают 100 технологических установок, ежегодные затраты на охлаждение составят 5,7 млн. долларов США.
• Правильная теплоизоляция, монтаж и прокладка шлангов снизят разницу вышеупомянутых температур до Δ1°C
  

В данной ситуации расходы на охлаждение 100 технологических установок сокращаются до ~$1,1 млн в год, что дает экономию $4,6 млн ежегодно благодаря только затратам на охлаждение!

Кроме энергосбережения, правильный выбор и установка и шлангов обеспечивают снижение потребности в обслуживании, продление срока службы деталей, а также выход годной продукции в больших масштабах. Если вам нужна помощь в оптимизации работы шланговых изделий, специалисты Swagelok готовы обеспечить поддержку в испытаниях и выборе материалов, проведении энергоаудита тепловых систем и предоставлении консультационных услуг по шлангам. Обсудите с экспертом возможности снижения затрат и повышения эффективности производства благодаря новой системе управления состояния шлангов.

Написать консультанту по шлангам