CN1201849C - 组合式热吸气剂净化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用热吸气剂净化系统(200)的优异性能净化各种气体的方法和设备，它比先前的多段热吸气剂系统小型化，包括内壳(204)、外壳(202)和一个整体的再生换热器，以提高加热器(220)的效率和冷却净化气。一个颗粒物过滤器(244)从气流中脱除颗粒物。一个针对各种吸气模件底座结构的接口设备(216)，在组合式热吸气剂净化系统(200)的一端有入口(214)和出口(212)。入口气被整体式换热器预热，然后加热到操作温度200～400℃。热吸气剂(245)从气体中脱除各种杂质，然后气体在整体式换热器中冷却，暴露于次要量的冷吸气剂(246)中脱除剩余杂质，并在排出使用之前最好经过滤器(244)脱除残余颗粒物。

Description

组合式热吸气剂净化系统
技术领域
本发明涉及气体净化，更具体地说，本发明涉及基于吸气剂的从气体中脱除杂质的方法和设备。
技术背景
半导体设备制造、实验室研究、质谱仪和其它工业与应用中优选使用超高纯(UHP)气体。超高纯气体一般定义为纯度至少99.9999999％(v)。
有几种生产超高纯气体的方法。所用的方法通常由所需的气体流率决定。小流率超高纯气体最典型地用于在单点使用(POU)，例如单一实验室试验点或单一加工设备如化学气相淀积法(CVD)半导体加工设备。对于POU和其它类似的小流率应用，优选的方法是采用冷反应净化工艺或者热吸气剂净化工艺，主要是由于这些方法可以进行小规模地生产。
冷反应净化工艺一般利用基于活性金属、金属合金或聚合物树脂的净化材料。冷反应净化工艺采用特殊的、活性净化材料处理要净化的不纯气体中。一般，这种方法要求专门调节净化材料，达到“活化”净化材料，然后在压力下迫使不纯气体通过该净化材料。净化材料与不纯气体中的杂质进行化学或物理地结合，而使净化气流出。
图1是现有技术的冷反应净化工艺10的工艺流程图，它利用多孔、还原性镍催化剂颗粒作为净化材料。首先在工序14中，一种不纯气体例如含有微量杂质氧的氩气，在压力下流过多孔镍粒。微量杂质氧与镍金属反应形成镍氧化物。其它杂质也可以与镍反应。净化气在工序16中应用于其目的场合(例如半导体制造工艺)。当镍通过工艺10基本被氧化之后，就不能再从气体中有效地脱除氧和其它杂质。
以冷反应净化材料与杂质反应直到净化材料不再能把不纯气体中的杂质脱除到所需水平时达到的“净化容量”来描述冷反应净化材料。以上述镍为例，当镍不再从不纯气体中脱除微量氧，以致生成气不再保持至少99.9999999％的纯度时，镍就达到了其净化容量。对给定杂质，当冷反应净化材料达到其净化容量时，就必须更换这种冷反应净化材料，或者有可能的话进行再活化。
杂质的“总容量”为基本上将净化材料全部耗尽，或者说通过与杂质反应使净化材料不再与任何杂质反应时所需杂质的数量。
给定杂质的总容量一般比净化容量高得多。提高杂质的净化容量，一般是通过使用大量净化材料来实现的。
冷反应净化材料工艺的好处是工序非常简单，通常在工厂活化和在现场操作都无需控制和监测系统。冷反应净化工艺的缺点是只能脱除非常有限的几种杂质，而且对有限的几种杂质，容量也非常小。已知冷反应净化工艺中净化器是过热的，如果一旦暴露于过高浓度的杂质中，甚至会引起着火。
加热的吸气剂净化材料(此后称为吸气剂)，一般是Zr、Ti、Nb、Ta、V以及其它材料的合金或混合物。热吸气剂工艺就是让待净化的不纯气通过保持在适当温度下的一定数量的吸气剂材料。
图2表示现有技术的热吸气剂工艺30。不纯气首先从净化器第一端入口流入。然后，在工序32中，不纯气体被预热到操作温度。接着，在工序34中，加热的吸气剂与不纯气中的杂质如CO2、H2O、CH4、CO、O2、N2和其它杂质发生化学结合。在工序36中，净化气在换热过程中被冷却到接近常温。在接近常温时，吸气剂对H2有很大容量。在任选工序38中，利用一定量接近常温的吸气剂基本上脱除残余H2和其它杂质。接着，净化气从净化器第二端的出口流出。然后将净化气用于工序40中目的场合(例如半导体制造工艺)。
当吸气剂不再能将杂质脱除到要求的性能水平时，吸气剂达到其净化容量。当吸气剂材料达到给定杂质的净化容量时，就必须更换。
杂质的总容量是基本上将吸气剂材料全部耗尽或者说与杂质反应掉时所需的杂质量。给定杂质的总容量一般大大高于杂质的净化容量。一般通过增加吸气剂用量或者将吸气剂加热到更高温度来提高杂质的净化容量。
热吸气剂工艺优于冷反应净化材料工艺之处是，对等量的净化材料而言脱除给定杂质的数量是其50倍。热吸气剂工艺还能脱除数种类型的杂质，而冷反应净化材料工艺一般只能脱除一两种类型的杂质。这就降低了这些系统总的操作费用和维修费用。
热吸气剂工艺的缺点包括：净化材料合金的成本高；需要热源，因而也就需要控制热源的方法例如控制系统；净化气净化后需要冷却。对热吸气剂净化系统周围的人还存在潜在的危险，因为操作温度一般为300℃或更高，人与之接触会烧伤。还知道若吸气剂在操作温度下曾暴露于太高浓度的杂质中，则会使热吸气剂净化系统引发火灾。由于需要热源、控制系统和气体冷却系统，热吸气剂系统一般用于中等或大规模的应用场合。
大多数POU应用场合除净化外还需要小规模地控制和监测。这些控制、监测和净化的器件组合称为“吸气组件”(gas stick)。图3是典型的现有技术吸气组件50的示意图。吸气组件50包括控制气体压力的压力调节器52、控制入口气流的入口阀54、净化气体用的热吸气剂净化器56、隔离净化器的净化器出口隔离阀58、控制或监测气体流率的质量流量控制器或质量流量计60、控制气体倒流的单向阀62、监测系统压力的压力变换器或压力表64以及从气流中脱除颗粒物的出口过滤器66。
吸气组件一般由两种密封或联接方法组装。挤压密封68的金属到金属的密封表面一般用于可更换部件。焊接接头70一般用于不可更换的部件。两种装配方法都很费钱且难以适当利用。
随着净化、控制和仪表化要求的增加，吸气组件变得更加复杂。更复杂的吸气组件变得更大，在典型POU有限的空间更难利用。目前，吸气组件已经演化成除前述功能和上述组件外，还包括气体混合、气体吹扫和气源选择。
吸气组件尺寸和复杂性的增加推动了吸气模件的发展。吸气模件规格的例子可以在1998年SEMI起草的#2787文件《配气部件表面安装接口设备规格》中找到，此处引为参考文献。
表面安装接口设备(SMI)规格定义了吸气组件型的模件接口设备。图4A表示吸气模件基座(modular gas stick substrate)80，图4B表示吸气模件基本单元(modular gas stick component base)100。吸气模件基座80包括气流的机械通道82，例如从部件室(component station)84到部件室94。每个部件室84、94、95、96、97、98和99包括一个入口86和一个出口88，其对应于每个吸气模件基本单元100的入口102和出口104。多种类型部件如阀门、质量流量计和压力变换器可以与吸气模件基本单元100造在一起。每个吸气模件基本单元100密封在普通的吸气模件基座80上。吸气模件基座80可以采用一个或多个气体通道82的结构。
图5表示安装在吸气模件基座80上的典型部件，即第一个部件106、第二个部件108和第三个部件110。气流进入吸气模件基座80的入口90，通过吸气模件基座80的通道82到达第一个部件室，再通过吸气模件基座80的入口86，再通过第一个部件106的入口102、第一个部件106，到达出口104，再通过吸气模件基座80的出口88。来自第一个部件106的气流进入吸气模件基座80的通道82，到达第二个部件108。气流继续从部件室到部件室流动，直到气体到达吸气模件基座80的出口92。
吸气模件提供优于传统吸气组件的两个重要好处：第一，吸气模件组装和维修更快捷、简单和容易。第二，吸气模件尺寸非常紧凑。通过对所有部件进行严格的尺寸和形状限制，吸气模件更紧凑。例如，SMI规定了除阀门和MFC/MFM如净化器外的部件尺寸限定在一个宽为38.15mm、深为38.15mm、高为180mm的外壳中。
利用冷反应净化材料工艺简单的常温操作，在吸气模件应用中运行良好。但是，没有与吸气模件一起应用热吸气剂工艺。部分原因是吸气组件基座的温度限制，一般要求40℃或以下。多数热吸气剂净化器加热吸气材料到200～400℃，这与采用的吸气模件不相适应。而且，热吸气剂净化系统一般考虑用于比吸气模件系统规模更大、不那么紧凑的场合。
本发明的公开
本发明提供了一种比现有热吸气剂工艺更紧凑的利用热吸气剂工艺净化各种气体的方法和设备。更紧凑的装置(“形状因数”)也包括一个整体式再生换热器，以同时提高加热器效率和冷却净化气。冷却后气体接触次要量(a second quantity)的较冷的吸气剂以脱除残余杂质，然后优选在排出前过滤以脱除颗粒物。本发明的优选实施方案进一步提供了联结各种吸气模件基座结构的接口设备。
从不纯气中脱除多种杂质的气体净化方法包括在再生换热器中加热不纯气，然后再通过加热器加热到操作温度。加热的不纯气接触热吸气剂材料，然后在再生换热器中冷却。冷却后的产品气再接触较冷的吸气剂以脱除残余杂质。净化气再利用UHP性能的颗粒物过滤器过滤。
气体净化设备包括一个外壳和一个内壳。第一端联结到内壳和外壳两者上，第二端只联结到外壳上。外壳和内壳之间有一环形空间，内壳中为内部空间。
第一端也包括入口和出口。入口联结到环形空间，出口联结到内部空间。一定量的加热吸气剂置于内部空间。优选将分流器、次要量的吸气剂和过滤器也置于内部空间。该分流器把热吸气剂和次要量的冷吸气剂分开，过滤器把内部空间的物质与出口分开。
本发明以小型、紧凑的结构形状提供了优异的热吸气剂净化性能。通过有效的设计，换热器介于进出气流之间，降低了净化气净化和冷却的能耗。整体换热器也为冷吸气剂提供了从出口气流中脱除残余杂质的机会。这些因素使得热吸气剂净化器可以与吸气模件系统一起用于其它紧凑的、温度敏感的场合。
对于本领域的熟练人员，在阅读了下面详细叙述以及研究了各种附图后，本发明的这些和其它的好处将变得显而易见。
附图的简要说明
图1是现有技术中冷反应净化材料工艺的流程图。
图2是现有技术中热吸气剂净化工艺的流程图。
图3是现有技术中典型的吸气组件示意图。
图4A是现有技术的吸气模件基座示意图。
图4B是现有技术的吸气模件接口设备示意图。
图5是现有技术的带有许多附件的吸气模件接口设备系统示意图。
图6是本发明热吸气剂净化器系统剖面图。
图7A～7E表示图6中分流器226的各种替代设计方案。
图8A和8B表示图6所示实施方案中两种类型的过滤器。
图9是本发明热吸气剂净化器工艺流程图。
本发明最佳实施方案
参照现有工艺已讨论了图1～图5。
图6表示一个作为本发明优选实施方案的组合式热吸气剂净化系统200。组合式热吸气剂净化系统200包括外壳202。外壳202可以是圆筒形或者任何剖面为矩形、正方形、三角形或其它多边形的形状。也可以使用其它形状。第一个优选实施方案的外壳202优选用316L或304L低碳不锈钢(SST)制造。也可以使用其它级别钢材和其它金属材料。预定设计压力为150磅/英寸2(psi)或更高。外壳202的壁应该至少为0.016英寸，以耐受预定的设计压力。外壳202的壁也可以是所希望的厚度。外壳202的壁为热吸气剂净化器部件提供结构强度，也提供某些保温。在这一优选实施方案中，外壳202最好由标准的1.5英寸直径的SST管制成。这样的管子厚度一般为0.065英寸。对上面所述的因素而言，0.065英寸的壁一般是最简单的选择，但也可以选择其它厚度。
表面光洁度一般采用平均粗糙度(Ra)这一术语来说明；平均粗糙度的划分是在取样长度内从图示中心线测的轮廓高度偏差绝对值的算术平均值。优选外壳202壁的表面光洁度达到可基本上全部去掉加工油和膜。外壳202一般用电抛光到10μin Ra光洁度，以达到清洁和美观的目的。但对外壳202不要求电抛光。
组合式热吸气剂净化系统200的第一个优选实施方案也包括内壳204。内壳204可以是相应于外壳202的任何剖面形状。内壳204安置在外壳内，使得两个壳有一环形空间206。内壳204也决定了内部空间208。在第一个优选实施方案中，内壳204优选用316L或304L低碳SST制造。也可以使用其它级别的钢材和其它金属材料。
第一个优选实施方案中，内壳204优选厚度大约为0.010英寸，使得热量更容易从内部空间208经内壳204传递到环形空间206中。内壳204壁的厚度由下列传热关系式确定：
瓦特＝(KAΔT)/L
式中：瓦特＝以瓦特表示的通过材料传递的热量
      K＝内壳204材质的传热系数
      A＝受热面积，在此例中是内壳204的壁面积
      ΔT＝T1-T2
      T1＝内壳204壁较热的内表面温度
      T2＝内壳204壁较冷的外表面温度
      L＝内壳204壁的厚度
由于K和A是常数，且希望ΔT非常高，因此通过内壳204壁传递的热量就随着L的减少而增加。正如下面进一步的说明，优化内壳204壁的厚度，以尽可能迅速和有效地传热。
内壳204壁的表面光洁度必须达到基本上脱除全部加工油和膜。为达到颗粒物和纯度性能，内壳204优选电抛光到5～10μin Ra。
图6所示组合式热吸气剂净化系统200还包括第一端部210，它优选用316L或304L SST制造。也可以使用其它级别钢材和其它金属材料。第一端部210可以焊接在内壳204和外壳202上。这种焊接一般是非均匀(hetogenous)焊接，部件熔合在一起，采用电弧焊不加任何填料物质。也可以采用其它焊接方法。第一端部210是电抛光到10μinRa或更高表面光洁度。也可以采用电抛光以外的其它方法，但是出口212和第一端部210暴露于内部空间208的表面光洁度必须是10μin Ra或更高。这种表面光洁度的要求对维持净化材料下游的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联结到环形空间206。
第一端部210形成吸气模件接口设备216，联结到吸气模件基座上。市场上吸气模件基座有几种设计。第一端部210可以设计成多种形状与具体的吸气模件基座相连。每一种形状中，出口212和入口214可以是特定吸气模件基座的要求的任何立置或取向。
图6所示组合式热吸气剂净化系统200还包括第二端218。在第一个优选实施方案中，第二端部218优选用316L或304L SST制造。也可以使用其它级别的钢材和其它金属材料。第二端部218可以焊接到外壳202上，但是不接触内壳204。第二端部218也可以焊接到或以其它方法接触到内壳204。优选实施方案在第二端部218和内壳204之间为气流提供了一个很小的空间。如果第二端部218接触内壳204，就必须提供从环形空间206到内部空间208的气流通道。焊接一般是非均匀焊，其中部件熔合在一起，采用电弧焊而不加任何填料物质。其它焊接方法也可以采用。第二端部218的表面光洁度必须达到基本上脱除加工油和膜，一般是电抛光到10μin Ra光洁度，以便达到颗粒物和纯度的要求。对于第二端部218，电抛光不是必要的，也可以采用其它清洁方法。
第二端部218还提供了加热器220的位置。加热器220的设施一般是一个“井”，它是第二端部218上提供的缝或者孔。该井不完全穿透第二端部218。本优选实施方案中，加热器220是一个可通过各种来源(例如密苏里州圣路易斯的Watlow有限公司)获得的圆柱形电阻加热器。也可以利用其它类型加热器，例如盘管式加热器、带式加热器、篮式加热器221或围绕在第二端部218内、外的其它类型加热器。加热器220也可以有必备的温度传感器或热电偶。热电偶可以如下所述由外部控制器使用。加热器220也可以有内部温度控制开关。温度控制开关可以提供加热器220的内部温度控制。内部空间208内含一定数量的净化材料222。在优选的实施方案中，净化材料是吸气剂材料222。也可以使用其它净化材料，例如分子筛、沸石、镍或其它。这些净化材料可以由几个来源获得，例如意大利Lainate的SAES吸气剂公司、俄亥俄州Beachwood的恩格哈德公司和加里福尼亚州Sacramento的UOP公司。
吸气剂222通常是多孔金属粒或金属粉。金属粒一般是直径2～3mm、长度3～5mm的圆柱形，也可以是其它形状或尺寸。金属粉的粒度一般是0.010英寸。
吸气剂222一般是Zr、Ti、Nb、Ta、V及其合金或与其它材料的混合物。在优选实施方案中，吸气剂222是由意大利Lainate的SAES吸气剂公司制造的粒状ST707TM、ST198TM、ST101TM，和其它吸气剂。ST707TM优选用于净化氦/稀有气体系列的气体和其它气体；ST198TM优选用于净化氮气和其它类似的气体。其它气体可以利用其它类型净化材料净化。在优选实施方案中，加热的吸气剂温度为200～400℃。更低或更高的温度也可以采用。吸气剂222的操作温度取决于吸气剂具体类型、气体类型、杂质负荷、气体流率和其它变量。
吸气剂222通过压缩筛224压入内部空间208。压缩筛224位于内部空间208，靠近第二端部218。压缩筛224对吸气剂222施加稳定的压力使吸气剂222在内部空间基本上不能移动或下降。如果吸气剂222移动或下降，那么气流因此可能旁通吸气剂，使气流不能被充分净化。压缩筛224使得组合式加热吸气剂净化系统200可在水平方向或垂直方向上予以利用。压缩筛224优选采用316L或304L SST制造。也可以使用其它级别的钢材和其它金属材料。
分流器226也位于内部空间208。分流器226有几个目的：分流器226第一个目的是，使位于分流器226和第二端部218之间的热吸气剂与位于分流器226和第一端部210之间的冷吸气剂隔开并绝热。分流器226第二个目的是，将来自热吸气剂245的气流导向内壳204的壁，以便将热从气流中传到内壳204的壁。也可以操作分流器226以限制通过组合式热吸气剂净化系统的气体最大流率。
分流器226在内部空间208中的具体纵向位置可以随具体应用变量变化，这些变量包括分流器226的结构、净化材料的类型、气体类型和杂质负荷、操作温度以及其它因素。在分流器226每一侧的热吸气剂245和冷吸气剂246的数量决定着分流器226的纵向位置。
分流器226的一个目的是限制从热吸气剂区直接向冷吸气剂区传热。该用途的一个例子由下述关系式说明：
瓦特＝(KAΔT)/L
式中：瓦特＝以瓦特表示的通过分流器226传递的热量
      K＝该类型材料的传热系数
      A＝受热面积，此例中是暴露于热吸气剂245的分流器226端部面积
     ΔT＝T1-T2
      T1＝热吸气剂245的温度
      T2＝冷吸气剂246的温度
      L＝分流器226的厚度
K是由分流器226材质类型与形状决定的常数，下面将详细讨论。Δ T是由工艺决定的常数。例如若热吸气剂245持续在400℃，而冷吸气剂246持续在20℃，那么ΔT就稳定在380℃。由于K和ΔT是常数，则A必须尽可能减小，而L要尽可能增大。
A是由分流器226形状确定的。随着A的减小，传热也会减少。
L受内部空间208物理空间和净化材料222所需量的限制。随着L的增加，通过分流器226传递的热量会减少。
分流器226的另外一个目的是作为一个有效的、整体的、紧凑换热器的一部分。当分流器226将热气流从热吸气剂245导向内壳204壁时，发生换热，热量从气流传递到内壳204壁。分流器226的外部尺寸略小于内壳204的内部尺寸。分流器226周围的气流紧靠着内壳204壁。来自热吸气剂245的热气流把热能转移给较冷的内壳204壁。来自热吸气剂245的热气流转移给较冷的内壳204壁的热能，又进一步转移给较冷的、通过环形空间206的入口气流。
图7A～7D表示分流器226的各种实施方案。图7A所示分流器226A是实心的(solid shape)，实心分流器226A结构简单因此造价低廉。因为分流器226A是实心的，分流器226A材料的有效面积就是分流器226A的端面面积。因为分流器226A是实心的，分流器226A材料的传热系数K就决定了热量传递。
图7B所示分流器226B是有端盖的空心状。除了分流器226B材料的传热系数，分流器226B内空间的传热系数基本上决定了传热性能。分流器226B材料的有效面积降低到只有环形的面积227B。空心分流器226B可以用高传热系数的材料如不锈钢制造，以降低成本和提高寿命。
图7C所示分流器226C是篮筐状的。篮筐状分流器226C提供了额外的可以装填吸气剂材料的空间。更多的吸气剂材料提供了额外的杂质容量。篮筐形也降低了分流器226C的有效面积，成为填充的环形227C，环形部分的传热系数K由分流器226C的材料决定，而填充部分的传热系数K由装填在篮筐形中的净化材料222决定。
图7D所示的分流器226D是具有支撑筛236的部分填充篮筐式。部分填充篮筐式分流器226D具有空心式分流器226B和篮筐式分流器226C综合的好处。部分篮筐式也降低了分流器226D的有效面积，使其成为填充环形227D，其环形部分传热系数由分流器226D材料决定，而填充部分的传热系数，部分由装填在篮筐形中的净化材料222决定，部分由篮筐形剩余空心部分决定。
在优选的实施方案中，分流器226是由316L和304L不锈钢制造的空心型，且有如图7B所示的端盖。也可以使用其它材料。分流器226可以由通用电气公司和其它制造商的各种用于高温的类似产品制成。另外，也可以应用其它材料，例如陶瓷、玻璃或硅化合物等以及其它低传热类型材料。
分流器226也可以制成其它多种形状，只要符合具体应用要求即可。
图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状的分流器226。为清楚起见表示为类似于图7A的实心分流器。分流器226必须恰当位于内部空间208中，以便适当地将传热气流导向内壳204壁。示于分流器226E上的外延部分238决定了分流器226E在内壳208中的定位。外延部分238也可以在内壳204壁上形成。外延部分238也可以是多种形状例如小方块或园形“凸起”或其它形状。外延部分优选间隔均匀地围绕在分流器226E外周，使分流器226E位于内壳204的中心。
外延部分238也可以是分流器226E周围的“完整的裙板”(fullskirt)。如果外延部分238是完整的裙板设计，气流就需要有通过分流器226E的另外通道240，它提供了把气流导向冷吸气剂246中心的好处，可以在其它形状分流器226上更好的利用冷吸气剂246。
参照图6的颗粒物过滤器244。过滤器244位于内部空间208，将吸气剂材料222与热吸气剂净化系统200的出口212隔开。过滤器244从净化器的气流中脱除颗粒物。过滤器244可以由几种材质制成，例如聚四氟乙烯(特氟隆)或烧结金属或其它市售过滤介质。此例中，过滤器244材质是烧结不锈钢。一般，制造商保证烧结不锈钢过滤器额定性能达到5年。其它类型过滤介质一般不能保证这么长时间。制造商例如康涅狄格州Farmington的Pall过滤器公司或该地方的Mott过滤器公司以及其它公司可以提供适宜的过滤器。
也可以利用过滤器244的多种性能设计。在优选实施方案中，过滤器244额定基本脱除所有10μm或更大的颗粒。也可以利用更精细的过滤，基本脱除所有0.003μm以上的颗粒。
图8A表示“高帽”型过滤器244A。图8B表示“圆盘”型过滤器244B。也可以使用其它没有示出的过滤器形式。过滤器244A、244B优选在固体边缘或“帽边”上就地焊接。过滤器244可以置于如图8所示第一个端部210上，或者远离第一个端部210的内壳上。
组合式热吸气剂净化系统200优选具有温度控制系统，以控制热吸气剂245的温度。热吸气剂245应该在或接近最佳性能的理想温度。有几种控制温度的方法。
第一个控制温度的优选实施方案是通过利用也用于吸气模件的外部控制器。吸气模件要求控制器控制和操作吸气组件部件例如阀门、质量流量控制器和其它有效部件。热电偶监测热吸气剂245的温度且提供控制器反馈来源。热电偶也可以集成于加热器220上，或置于组合式热吸气剂净化系统200内、外表面的其它地方上。
控制加热器220温度的其它方法是通过利用自身温度限制加热器220。这样的加热器220有集成的温度开关。集成的温度开关或相当的电路在加热器达到规定温度时切断流向加热器220的电流。
另一种控制加热器220温度的方法是通过外部控制器精密控制加热器的电压和电流来源。随着加热器220的温度增加，电阻加热器的电阻增加。当加热器的电阻达到规定电阻时，由控制器切断电流。
再一种控制加热器220温度的方法是平衡的方法，它要求精密调节电压和电流来源。加热器220是连续电力加热。通过净化器的气流连续冷却加热器220和加热吸气剂245。加热器220的额定电源是连续加热和冷却气流使温度达到平衡状态。例如，如果计算和试验表明温度平衡状态在100瓦特热量时达到，就利用100瓦特的加热器，并且精密控制加热器的电流和电压，使加热器产生相对稳定的100瓦特热量。
图9表示采用本发明组合式热吸气剂净化系统的流程300。在工序302中，气流进入组合式热吸气剂净化系统200的入口214，进入环形空间206，流向加热器220。
接着，气流在工序304中预热。当气流通过内壳204壁的受热面时被预热，并流向加热器220。
然后，在工序306中，气流通过加热器220加热到适当的操作温度。加热器220加热气流和热吸气剂245到适当的操作温度。在此例中，热净化材质的温度一般在200～400℃。也可以利用更低或更高的温度。热吸气剂245的操作温度取决于热吸气剂245的具体类型、气体类型、杂质负荷、气体流率和其它变量。
其后，在工序308中，从热气流中基本上脱除杂质，如CO2、H2O、CH4、CO、O2以及N2。杂质被热吸气剂245吸收。
从热吸气剂245出来后，气流被从操作温度冷却到理想的出口温度。气流在工序310中通过绕分流器226流过而被冷却。分流器226将气流导向内壳204的壁，在此热气体耗散了部分热量，到达内壳204的壁。在如上所述304工序中，被加热的内壳壁预热了流过环形空间206的气体。
在下一工序312中，冷气体流入位于分流器226和过滤器244之间内部空间的、次要量的、未加热的冷吸气剂246中。冷吸气剂246从气流中基本脱除残余的H2。
在接下来的工序314中，净化气流到过滤器244。过滤器244基本上从气流中脱除颗粒物。过滤器244可以额定为脱除小到0.003μm的颗粒。然后净化气用于工序316中打算的用途。
组合式热吸气剂净化系统可以用于任何模件接口设备型用途中，例如任何吸气模件系统。其它应用包括但不限于下述例子：独立的、直接安装在终端应用装备上；或半导体加工工具；或混合气体集合管；或配气集合管。其它要求模件接口设备、紧凑形状和高纯度性能的应用。
如上特点的吸气模件和许多其它的应用是集成电路制造中半导体加工的一部分。其它行业也可以利用组合式热吸气剂净化系统，包括医疗卫生行业、化学分析、化学品加工和制造业、食品加工和测试、制药、石油化学品制造和分输等。
尽管本发明只详细说明了少数实施方案，但是应该理解，在不违背本发明精髓和范围的情况下，本发明可以体现在许多其它具体形式中。因此，本发明例子和实施方案应该认为是进行说明而不是进行限制，而且本发明不限于此处所给出的细节，而是可以按照后附的权利要求进行改进。

Claims (26)

1、一种气体净化器，包括：
一个具有第一端和第二端的外壳；
一个置于所述外壳中的内壳，使得在所述内壳和所述外壳之间形成环形空间，所述内壳具有内部空间；
置于所述内壳内部空间中的一定数量的净化材料；以及
一个入口和一个出口，两者都邻近所述外壳的第一端，所述入口与所述环形空间联通，所述出口与所述内部空间联通；
其中，不纯气体通过所述入口进入所述气体净化器，流经所述环形空间达到所述内部空间，通过置于所述内部空间的所述气体净化材料，然后经所述出口离开所述气体净化器。
2、如权利要求1所述的气体净化器，其进一步包括加热所述气体净化器的加热器，所述加热器与该净化器的第二端部至少有部分接触，该第二端部包括第二端和靠近第二端的外壳。
3、如权利要求2所述的气体净化器，其进一步包括至少与某些所述净化材料接触的加热器。
4、如权利要求2所述的气体净化器，其进一步包括置于所述外壳第一端和所述加热器之间的所述内部空间的分流器。
5、如权利要求4所述的气体净化器，其中，所述分流器至少部分由一种陶瓷材料制成。
6、如权利要求1所述的气体净化器，其中，所述净化材料是一种选自Zr、Ti、Nb、Ta、V及任何这些金属的合金的吸气剂材料。
7、如权利要求6所述的气体净化器，其进一步包括至少与某些所述净化材料接触的加热器。
8、如权利要求7所述的气体净化器，其进一步包括置于所述内部空间的、在所述外壳第一端和所述加热器之间的分流器。
9、如权利要求8所述的气体净化器，其中，所述分流器至少部分由一种陶瓷材料制成。
10、如权利要求6所述的气体净化器，其进一步包括置于所述内部空间、靠近所述出口的过滤器。
11、如权利要求10所述的气体净化器，其中，所述过滤器主要由烧结不锈钢制成。
12、如权利要求10所述的气体净化器，其中，所述过滤器基本能从所述出口气流中脱除小到0.003μm的颗粒。
13、如权利要求6所述的气体净化器，其进一步包括在所述第一端上的吸气模件接口设备。
14、如权利要求1所述的气体净化器，其进一步包括置于所述内部空间、靠近所述出口的过滤器。
15、如权利要求14所述的气体净化器，其中，所述过滤器主要由烧结不锈钢制成。
16、如权利要求14所述的气体净化器，其中，所述过滤器基本能从所述出口气流中脱除小到0.003μm的颗粒。
17、如权利要求1所述的气体净化器，其进一步包括在所述第一端上的吸气模件接口设备。
18、如权利要求17所述的气体净化器，其中，吸气模件接口设备与吸气模件基座联通。
19、一种使用权利要求1的气体净化器的净化气体的方法，包括：
气体流入净化装置第一端上的入口；
加热所述气体；
所述气体与净化材料接触；以及
所述气体从所述净化装置第一端上的出口流出。
20、如权利要求19所述的方法，其进一步包括：在所述气体接触净化材料之前预热所述气体。
21、如权利要求19所述的方法，其中，所述净化材料是一种选自Zr、Ti、Nb、Ta、V及任何这些金属的合金的吸气剂材料。
22、如权利要求21所述的方法，其进一步包括：在所述气体接触净化材料之前预热所述气体。
23、如权利要求22所述的方法，其进一步包括：在所述气体从所述出口流出之前冷却所述气体。
24、如权利要求23所述的方法，其进一步包括：在所述气体从所述出口流出之前过滤所述冷却的气体。
25、一种换热器，包括：
一个具有第一端和第二端的长条外壳；
一个置于所述外壳中的长条内壳，使得在所述内壳和所述外壳之间形成环形空间，所述长条内壳具有内部空间；
一个加热所述换热器的加热器，所述加热器至少与所述换热器第二端部接触，该第二端部包括第二端和靠近第二端的外壳部分；
一个置于所述内部空间的、在所述外壳第一端和所述第二端之间的分流器；以及
一个入口和一个出口，两者均邻近所述外壳的第一端，所述入口与所述环形空间联通，所述出口与所述内部空间联通；
其中，气体通过所述入口进入所述换热器，流过所述环形空间，通过所述第二端部进入所述内部空间，绕过置于所述内部空间的所述分流器，然后经所述出口离开所述换热器，所述第二端部适于加热所述气体，所述分流器适于将所述被加热的气流导向所述内壳壁，所述内壳壁适于将所述气体携带的至少部分热量传递给在所述环形空间中流动的气流。
26、一种使用权利要求25的换热器预热气体的方法，包括：
气体流入该换热器第一端上的入口；
所述气体与内壳壁的受热面接触；
所述气体与加热器接触；
所述气体被折流，使得气体与内壳壁位于分流器下游的部分接触；以及
所述气体从所述换热器的所述第一端上的出口流出；
其中，所述被加热的气体将热量传递给所述内壳壁位于分流器下游的部分。
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