TW201938965A

TW201938965A - 超純水的加熱方法

Info

Publication number: TW201938965A
Application number: TW107133318A
Authority: TW
Inventors: 堀井重希
Original assignee: 日商栗田工業股份有限公司
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2019-10-01
Also published as: WO2019171632A1; JP2019152411A; JP6948012B2

Abstract

將來自副系統(4)之二次純水藉由熱交換器(6)及熱交換器(10)加熱並送至使用點。熱交換器(6)之熱源係自使用點返回之溫超純水。對熱交換器(10)循環通入經加熱器(40)加熱之介質水。對應於使用點之超純水使用量，反相控制介質水循環用之泵(46)，同時藉由三向閥(43)控制旁通流量。

Description

超純水的加熱方法

本發明有關超純水的加熱方法，尤其有關將來自二次純水製造裝置之超純水以熱交換器加熱，而作為溫超純水供給於使用點之超純水加熱方法。

作為半導體洗淨用水而使用之超純水係藉由以如圖2所示之由前處理系統50A、一次純水製造裝置60、二次純水製造裝置(大多情況亦稱為副系統)70所構成之超純水製造裝置處理原水(工業用水、自來水、井水等)而製造(專利文獻1)。圖2中各系統之角色如下述。

藉由凝集、加壓上浮(沉澱)、過濾(膜過濾)裝置等(於該先前例中為凝集過濾裝置)而成之前處理系統50A係進行原水中之懸浮物質或膠體物質之去除。且，該過程中亦可能去除高分子系有機物、疏水性有機物等。

具備經前處理之水的槽61、熱交換器65、逆滲透膜處理裝置(RO裝置) 62、離子交換裝置(混床式或4床5塔式等) 63、槽63A、離子交換裝置63B及脫氣裝置64之一次純水製造裝置60，係進行原水中之離子或有機成分之去除。於熱交換器65之1次側供給作為熱源流體之蒸氣。於逆滲透膜處理裝置62去除鹽類同時去除離子性、膠體性之TOC。於離子交換裝置63、63B去除鹽類、無機系碳(IC)並且藉由離子交換樹脂進行經吸附或離子交換之TOC成分之去除。於脫氣裝置64進行無機系碳(IC)、溶存氧之去除。

以一次純水製造裝置60製造之一次純水係經由配管69送水至二次純水製造裝置70。該二次純水製造裝置70具備副槽(有時亦稱為純水槽)71、泵72、熱交換器73、低壓紫外線氧化裝置(UV裝置)74、離子交換裝置75及超過濾膜(UF膜)分離裝置76。熱交換器73係用以控制二次純水之溫度者。一般二次純水(常溫超純水)之供給溫度為23~25℃，為了控制於該溫度範圍，熱交換器73係使用冷卻器。作為冷卻器之冷卻源係使用冷水。

低壓紫外線氧化裝置74係藉由自低壓紫外線燈射出之185nm紫外線將TOC分解為有機酸，進而分解為CO₂ 。藉由分解生成之有機物及CO₂ 係於後段之離子交換裝置75去除。於超過濾膜分離裝置76去除微粒子，亦去除來自離子交換樹脂之流出粒子。

離子交換裝置75之處理水可分為自超過濾膜分離裝置76經由配管81送至使用點90之超純水(常溫超純水)，與於熱交換器85、86加熱後，經由超過濾膜分離裝置87及配管88送至使用點90之超純水(溫超純水)。

後者之管線中，來自二次純水製造裝置70之超純水藉前段側熱交換器85與後段側熱交換器86加熱至65~75℃左右，供給至使用點90。來自該使用點90之溫返回水經由配管91流通於前段側熱交換器85之熱源側。通過前段側熱交換器85之熱源側之返回水降溫至30~40℃左右，經由配管92返回至副槽71。後段側熱交換器86係以蒸氣為熱源者。

圖3係顯示以往之超純水加熱裝置之例的系統圖。

一次純水經由配管1、副槽2、配管3導入副系統4，於副槽之後段的熱交換器進行溫度調整，製造約25℃之超純水。所製造之超純水依序流經配管5、第1熱交換器6、配管9及第2熱交換器10，藉由熱交換器6加熱至約45~70℃，藉由熱交換器10加熱至約75℃，作為溫超純水藉由配管11送水至使用點。於配管11在緊接於使用點之前設置UF膜分離裝置11A。

對熱交換器6之熱源流體流路經由配管7導入來自使用點之約75℃之返回溫超純水(返回水)。該返回溫超純水於熱交換器6與來自副系統4之超純水進行熱交換降溫至約30℃後，藉由配管8送至副槽2。

於熱交換器10之熱源流體流路，循環流通藉由熱泵20及蒸氣式熱交換器15加熱之第1介質水(作為傳熱介質的水)。亦即，自熱交換器10流出之約65℃的第1介質水以第1循環流路之熱泵20的冷凝器23加熱至約75℃後，以蒸氣式熱交換器15加熱至約80℃並流入熱交換器10。

於熱交換器15之熱源流體流路流通來自鍋爐等之蒸氣(水蒸氣)。

熱泵20係構成為將來自蒸發器21之代替氟氯烷等之熱介質以泵22壓縮並導入冷凝器23，將來自冷凝器23之熱介質經由膨脹閥24導入蒸發器21。

於第1循環流路(高溫側流路)之冷凝器23經由配管12導入來自熱交換器10之第1介質水，於冷凝器23加熱之第1介質水經由配管14送水至熱交換器15。又，來自熱交換器15之第1介質水之一部分經由旁通配管19送回至配管12。藉此，導入至冷凝器23之第1介質水的水溫成為約70℃。於旁通配管19設置流量調節閥(圖示略)。

於配管12設置循環用之泵(圖示略)。

為了對蒸發器21之熱源流體流路(低溫側流路)通入第2介質水(熱泵熱源水)，而設置由配管25、配管27所成之流路。

約30℃之熱泵熱源水導入蒸發器21之熱源流體流路，與熱泵20之熱介質進行熱交換降溫至約25℃後，經由配管25送水至其他製程。

作為熱泵20之運轉方法係例如以將第1介質水之出口溫度成為一定溫度之方式，調整熱泵壓縮機之輸入電力。亦可將熱泵設為複數系列，對應於熱負荷進行台數控制。

圖3之超純水加熱裝置中，經由旁通配管19自配管14旁通至配管12之第1介質水的水量可藉由於自配管14至旁通配管19之分支部所設之三向閥(圖示略)而調節。該旁通水量增多時，熱交換器10中賦予至超純水之熱量變少，旁通水量減少時，熱交換器10中之賦予熱量變多。因此，起因於自配管7返回之溫超純水的水量變動，而使自配管9流入熱交換器10之超純水溫度變動時，藉由控制旁通至配管19之第1介質水量，將自配管11送水至使用點之溫超純水的溫度維持於一定(上述情況為75℃)。

[專利文獻1] 日本專利第6149993號公報　　[專利文獻2] 日本專利第6149992號公報

圖3中，自配管7返回之溫超純水的水量大幅變動，自配管9流入熱交換器10之超純水溫度大幅變動時，僅控制旁通至配管19之第1介質水量，無法追隨超純水之溫度變動，有送水至使用點之溫超純水的溫度偏離目標溫度之虞。

亦即，會有使用點所使用之溫超純水量以數秒單位大幅變動之情況。使用點之溫超純水使用量變動時，圖3中之「溫超純水返回」之流量產生變動。藉此，熱交換器6之熱回收量變動，自配管9流入熱交換器10之超純水溫度亦變動。

例如，圖3之系統之情況，使用點中溫超純水使用量急增，維持該使用量時，熱交換器10入口之超純水溫度降低。該情況，為了維持熱交換器10之超純水出口溫度，而減少旁通至配管19之水量，增加流量。然而，若調整三向閥以使旁通至配管19之水量成為零，則變得無法增加其以上之流向熱交換器10之水量，而無法將自配管11送水至使用點之溫超純水的溫度維持於目標溫度。

由於使用點之溫超純水溫度必須控制在正負1℃之嚴密範圍內，因此無法維持溫超純水之控制溫度，有於使用點之利用溫超純水之機器帶來大問題之可能性。

以往，為了避免上述問題，而將於配管14、配管12、旁通配管19中循環之第1介質水量(高溫循環水量)設為充分量。亦即，考慮自過去實際成績所推定之溫超純水使用量之最大值，假定溫超純水使用量急增至如此最大值之情況，亦能控制送水至使用點之溫超純水溫度之方式，設定具有充分餘裕之旁通循環水量。

依據此等方法時，送水至使用點之溫超純水溫度即使使用點之超純水使用量顯著變多亦能維持一定。然而，於通常狀態(溫超純水使用量為平均值附近之情況)，旁通水量徒於變多，而有運轉成本變高之問題點。亦即，通常狀態下，因返回之溫超純水多，故自配管9流入熱交換器10之超純水溫度不會太過降低，因此利用高溫循環水(第1介質水)之必要加熱量並不大，故於旁通至配管19之第1介質水流量多之狀態繼續運轉。

又，如前述，僅以簡單減少高溫循環水(第1介質水)之水量為對策，無法避免於使用點急增溫超純水使用量時無法維持溫超純水溫度之風險。

本發明為解決此等問題點，目的在於提供可邊避免因於使用點溫超純水使用量急增而無法維持溫超純水溫度之風險，邊可減少高溫循環水量且減少旁通流量之超純水的加熱方法。

本發明之超純水加熱方法，係藉由加熱裝置加熱超純水之方法，前述加熱裝置係具有下述構件且將經加熱之超純水供給至使用點之超純水加熱裝置：第1熱交換器，其係用以加熱來自超純水製造裝置之超純水且以自使用點返回之水作為熱源；及加熱手段，其將以該第1熱交換器加熱之超純水進一步加熱，　　前述加熱手段具備：第2熱交換器，其中將經前述第1熱交換器加熱之超純水通入被加熱流體流路；循環流路，其於該第2熱交換器之熱源流體流路中循環流通作為傳熱介質之介質水；加熱器，其對循環流路中流通之介質水加熱；及泵，其設於該循環流路；　　該超純水加熱方法係對應於使用點之超純水使用量控制該泵。

本發明一態樣中，於前述介質水循環流路設有迂迴前述第2熱交換器之旁通流路，且對應於使用點之超純水使用量控制對該旁通流路之旁通流量。

本發明一態樣中，設有用以控制前述旁通流量之三向閥，且對應於使用點之超純水使用量控制該三向閥的開度。

本發明一態樣中，設有用以控制前述旁通流量之三向閥，且基於現時點之運轉數據實測值預測1~5分鐘後之三向閥開度，以使其開度預測值成為大致一定之方式，控制高溫循環水量。

本發明一態樣中，基於過去的運轉數據，建構以「三向閥開度之預測值」為目的變數之重回歸模型或人工智能模型，藉由對該模型輸入現時點之運轉數據實測值，獲得「三向閥開度之預測值」。

本發明一態樣中，於重回歸模型或人工智能模型之說明變數中，至少包含「三向閥開度之現在值」及「第1熱交換器之超純水側出口溫度」。 [發明效果]

依據本發明，藉由減少高溫循環水量，減少旁通流量，可獲得如下效果：　　i)可減少循環水泵之消耗電力；　　ii)於高溫循環水之循環步驟中具有熱泵時，由於高溫循環水之熱泵入口溫度降低而減小高溫循環水與熱泵熱源水之溫度差，故可提高熱泵之COP(成績係數)；　　iii)於高溫循環水之循環步驟中具有熱泵及蒸氣熱交換器兩者之情況下，可減少蒸氣熱交換器之蒸氣使用量，可增加利用每供給熱量之單價較小的熱泵之加熱比例。

以下，參考圖1針對實施形態加以說明。又，以下說明中雖例示水溫，但其僅為一例，並非限定本發明。

圖1係顯示實施形態之超純水加熱裝置之系統圖。

將一次純水經由配管1、副槽2、配管3導入副系統4，藉副系統中所含之熱交換器進行溫度調整，製造約25℃之超純水。所製造之超純水依序流經配管5、第1熱交換器6、配管9及第2熱交換器10，藉由熱交換器6加熱至約45~70℃，藉由熱交換器10加熱至約75℃，作為溫超純水藉由配管11送水至使用點。於配管11在緊接於使用點之前設置UF膜分離裝置(圖示略)。

於熱交換器10之熱源流體流路，循環流通藉由熱泵、蒸氣式熱交換器等之加熱器40加熱之介質水(作為傳熱介質的水)。亦即，自熱交換器10流出之約50~70℃的介質水藉由配管45、泵46、配管47導入加熱器40，加熱至約80℃後，經由配管42、三向閥43、配管44流入熱交換器10。

來自加熱器40之介質水之一部分經由旁通配管48自三向閥43送回配管45。

於配管11設置溫度感測器50，於控制裝置51輸入測定溫度，藉由該控制裝置51控制三向閥43及泵46。自三向閥43對控制裝置51輸入顯示現時點之開度(自配管42朝配管44流動介質水之開度)的信號。

本實施形態中，以將三向閥43之開度(用以自配管42向配管44流通介質水之開度)成為一定值之方式調整介質水循環水量。三向閥43之開度以0%~100%表示時，較好以例如開度成為75~80%之方式，增減泵46的馬達旋轉速度，自動調整介質水循環水量。例如藉由於泵附屬之反相器增減電壓與頻率，而調整馬達旋轉速度。

亦可為對控制裝置51輸入與現時點之三向閥開度有關之信號，於控制裝置51進行運算處理，將其結果送至泵46所附屬之反相器，使反相器調整馬達之電壓・頻率之方法。或者，亦可為預先導出三向閥43之開度與反相器輸出值之關係式，基於該關係式調整反相器輸出值之方法。

於使用點90之溫超純水使用量大幅變化之情況，其影響會對三向閥43之開度帶來影響，而有數分鐘之時間延遲。因此，更期望替代現時點之三向閥43開度，使用將來預測值。此處，所謂將來意指自現時點起1~5分鐘後。

例如，基於過去數個月量之運轉數據，建構以「2分鐘後之三向閥開度」為目的變數，以「現時點之三向閥開度」、「自配管9流入熱交換器10之超純水溫度」等為說明變數之重回歸模型，藉由對該模型輸入現時點之運轉數據實測值，而預測2分鐘後用以使溫度感測器50檢測出之超純水溫度維持於75℃所需之「2分鐘後之三向閥開度」。基於「2分鐘後之三向閥開度」之預測值，調整高溫循環水量(泵46噴出量)，而可更迅速對於溫超純水使用量之急增進行對應。例如，2分鐘後之三向閥開度之預測值超過80%時，以將該開度侷限至75~80%的範圍之方式增加泵46之馬達旋轉數。

又，亦可替代重回歸模型，使用人工智能模型等。

如此，邊可避免因使用點之溫超純水使用量急增而無法維持溫超純水溫度之風險，邊可減少旁通水量，削減溫超純水之製造成本。

於使用點之溫超純水使用量增加之情況下，自配管9流入熱交換器10之超純水溫度降低，與此對應於三向閥43之開度開始上升之階段，介質水循環水量可自動增加，可避免溫超純水溫度脫離控制目標值之風險。

再者，基於現時點之「溫超純水返回流量」或「自配管9流入熱交換器10之超純水溫度」之實測值，預測數分鐘後之三向閥開度，而可比僅以現時點之三向閥開度調節高溫循環水量更快速調整高溫循環水量，可更確實避免溫超純水溫度脫離控制目標值之風險。 [實施例]

針對更具體運轉例如下進行說明。

作為加熱器40係使用以冷凍機排水作為熱源之熱泵及以蒸氣作為熱源之蒸氣熱交換器兩者，依泵47à熱泵à蒸氣熱交換器之順序流動循環水。熱泵以使熱泵出口溫度成為一定之方式調整輸入電力。又，以蒸氣熱交換器之出口溫度(亦即配管42中流動之介質水溫度)成為一定之方式供給蒸氣量。

又，(本發明之熱泵出口溫度)=(比較例之熱泵出口溫度)，(本發明之蒸氣熱交換器出口溫度)=(比較例之蒸氣熱交換器出口溫度)。

本實施例中，以使三向閥43之開度於平常時為75~80%(亦即旁通水量為20~25%)之方式，調整於泵46附屬之反相器的輸出值。其結果與先前比較，介質水循環水量之平均值削減約40%。伴隨此，削減循環水泵之消耗電力並且提高利用每熱量之單價較低的熱泵之加熱比例。其結果可使全體運轉成本削減約15%。

亦即，圖3中，即使於使用點之超純水使用量顯著增大，自配管7返回之超純水量顯著減少，對熱交換器10流入之超純水溫度成為特別低之溫度(例如40~45℃或其以下)之情況，為了可於熱交換器10流通充分多量之高溫介質水，將75℃之溫超純水自配管11送水至使用點90，故於平常時自配管14朝配管19旁通之介質水量增多，於使用點90之超純水使用量顯著增加時，仍有必要確保自配管14朝熱交換器10之介質水量。因此，平常時(使用點90中之超純水使用量大致為平均量之狀態)，亦有必要預先增多自熱泵20朝配管14之出水量(介質水量)，增多旁通介質水量，事先防備於使用點之超純水使用量之增大。因此，為了旁通如此多量之介質水，故泵電力消耗等變多。

相對於此，本發明中，旁通介質水量於平常時可為如20~25%之稍少些，於預測到對熱交換器10之供給介質水量增加時(亦即，預測三向閥43的開度顯著增加時)，增加自加熱器40之出水量。其結果，平常時自加熱器40之高溫介質水供給量(出水量)與先前相比可相當地減少。

控制器51以將經由配管11朝向使用點90之溫超純水的溫度維持於一定溫度(該情況為75℃)之方式，藉由三向閥43之開度控制及泵46之馬達旋轉數控制而控制向熱交換器10供給之介質水量(高溫循環水量)。又，若即使僅藉由泵46之控制而控制朝熱交換器10之介質水量，亦可將溫超純水維持於一定溫度，則三向閥43及旁通配管48亦可省略。惟，藉由三向閥43之旁通水量控制而控制對熱交換器10之供給介質水量為迅速且容易，可迅速對應於熱交換器10之負荷變動。本實施例中，由於三向閥43之開度提高至75~80%，故於熱交換器10之大幅負荷增加僅由三向閥43無法對應。因此，如前述，亦併用泵46之控制。

上述實施形態係本發明之一例，本發明亦可為圖示以外之形態。

本發明雖使用特定態樣詳細說明，但本技藝者應了解在不偏離本發明意圖及範圍下可進行各種變更。　　本申請案係基於2018年3月6日提出申請之日本專利申請號2018-039836，其全文藉由引用加以援用。

1‧‧‧配管

2‧‧‧副槽

3‧‧‧配管

4‧‧‧副系統

5‧‧‧配管

6‧‧‧第1熱交換器

7‧‧‧配管

8‧‧‧配管

9‧‧‧配管

10‧‧‧第2熱交換器

11‧‧‧配管

11A‧‧‧UF膜分離裝置

12‧‧‧配管

14‧‧‧配管

15‧‧‧蒸氣式熱交換器

19‧‧‧旁通配管

20‧‧‧熱泵

21‧‧‧蒸發器

22‧‧‧泵

23‧‧‧冷凝器

24‧‧‧膨脹閥

25‧‧‧配管

27‧‧‧配管

40‧‧‧加熱器

42‧‧‧配管

43‧‧‧三向閥

44‧‧‧配管

45‧‧‧配管

46‧‧‧泵

47‧‧‧配管

48‧‧‧旁通配管

50‧‧‧溫度感測器

50A‧‧‧前處理系統

51‧‧‧控制裝置

60‧‧‧一次純水製造裝置

61‧‧‧槽

62‧‧‧逆滲透膜處理裝置

63‧‧‧離子交換裝置

63A‧‧‧槽

63B‧‧‧離子交換裝置

64‧‧‧脫氣裝置

65‧‧‧熱交換器

69‧‧‧配管

70‧‧‧二次純水製造裝置

71‧‧‧副槽

72‧‧‧泵

73‧‧‧熱交換器

74‧‧‧低壓紫外線氧化裝置

75‧‧‧離子交換裝置

76‧‧‧超過濾膜分離裝置

81‧‧‧配管

85‧‧‧熱交換器

86‧‧‧熱交換器

87‧‧‧超過濾膜分離裝置

88‧‧‧配管

90‧‧‧使用點

91‧‧‧配管

92‧‧‧配管

圖1係本發明實施形態之加熱裝置之構成圖。　　圖2係先前例之加熱裝置的構成圖。　　圖3係先前例之加熱裝置之構成圖。

Claims

一種超純水加熱方法，其係藉由加熱裝置加熱超純水之方法，前述加熱裝置係具有下述構件且將經加熱之超純水供給至使用點之超純水加熱裝置：　　第1熱交換器，其係用以加熱來自超純水製造裝置之超純水且以自使用點返回之水作為熱源，　　加熱手段，其將以該第1熱交換器加熱之超純水進一步加熱，　　前述加熱手段具備：　　第2熱交換器，其中將經前述第1熱交換器加熱之超純水通入被加熱流體流路，　　循環流路，其於該第2熱交換器之熱源流體流路中循環流通作為傳熱介質之介質水，　　加熱器，其對循環流路中流通之介質水加熱，及　　泵，其設於該循環流路；　　該超純水加熱方法之特徵係對應於使用點之超純水使用量控制該泵。
如請求項1之超純水加熱方法，其中於前述介質水循環流路設有迂迴前述第2熱交換器之旁通流路，且　　對應於使用點之超純水使用量控制對該旁通流路之旁通流量。
如請求項2之超純水加熱方法，其中設有用以控制前述旁通流量之三向閥，且對應於使用點之超純水使用量控制該三向閥的開度。
如請求項2之超純水加熱方法，其中設有用以控制前述旁通流量之三向閥，且基於現時點之運轉數據實測值預測1~5分鐘後之三向閥開度，以使其開度預測值成為大致一定之方式，控制高溫循環水量。
如請求項4之超純水加熱方法，其中基於過去的運轉數據，建構以「三向閥開度之預測值」為目的變數之重回歸模型或人工智能模型，藉由對該模型輸入現時點之運轉數據實測值，獲得「三向閥開度之預測值」。
如請求項5之超純水加熱方法，其中於重回歸模型或人工智能模型之說明變數中，至少包含「三向閥開度之現在值」及「第1熱交換器之超純水側出口溫度」。