TWI764774B

TWI764774B - 氣液混合裝置及方法

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Publication number: TWI764774B
Application number: TW110124416A
Authority: TW
Inventors: 龔楚喬; 郭哲瑋; 鄺厚武; 朱雅琪
Original assignee: 信紘科技股份有限公司
Priority date: 2021-07-02
Filing date: 2021-07-02
Publication date: 2022-05-11
Also published as: TW202302214A

Abstract

一種氣液混合裝置，包括一壓力槽以及一氣體輸入管，於該壓力槽的槽體內設有限流板，以該限流板將該壓力槽內分隔為一氣液混合室以及一液體儲存室，該氣體輸入管由外穿入該氣液混合室內且具有多個氣孔，該限流板具有一限流通道，將該限流通道的總截面積，限制為小於向該壓力槽輸入液體的輸入口的截面積的四分之一；藉由限流通道的截面積限制該氣液混合室的液體流出量，使輸入該槽體的液體能快速補充至該氣液混合室，減少該氣液混合室的壓力變化，進而提供穩定濃度的氣體溶解液。

Description

氣液混合裝置及方法

本發明涉及一種氣液混合的手段，尤其涉及一種能供應穩定濃度氣體溶解液的氣液混合裝置及方法。

目前將氣體混合於液體的系統，例如傳統型壓力桶的系統，其架構包含壓縮機、靜態混合器、噴射器、高壓溶解槽、飽和槽等裝置，於使用時管路之間的控制與回饋多半需要以電子控制的方式進行，然而電子控制的系統受限於需要電力供應，因此有必要開發一種非電子控制的裝置，用於穩定供應特定濃度的氣體溶解液。

有鑑於此，本發明之目的在於提供一種氣液混合裝置，透過流量限制的方式穩定氣液混合空間內的壓力，達到能提供穩定濃度的氣體溶解液的效果。

緣以達成上述目的，本發明提供一種氣液混合裝置，包括：

一壓力槽，包括一壓力槽體及一限流板，其中該壓力槽體具有一氣體輸入管穿孔，該限流板設置於該壓力槽體內部且將該壓力槽體內部的空間分隔為一氣液混合室以及一液體儲存室，該限流板具有一限流通道，該限流通道連通該氣液混合室以及該液體儲存室，且該限流通道的總截面積小於該液體輸入口截面積的四分之一，該壓力槽體對應該氣液混合室的部分具有一液體輸入口，該壓力槽體對應該液體儲存室的部分具有一液體輸出口；以及

一氣體輸入管，係穿過該氣體輸入管穿孔而使部分管段位於該壓力槽體外，部分管段位於該壓力槽體內部，其中該氣體輸入管位於該壓力槽體內部的管段的內端具有一內端部，該內端部位於該氣液混合室並具有多個氣孔。

緣以達成上述目的，本發明提供一種氣液混合方法，其方法的步驟包括：

將由一氣液混合室通往一液體儲存室的限流通道的總截面積，限制在通往該氣液混合室的液體輸入口的截面積的四分之一以下；以及

由該液體輸入口持續輸入液體，並向該氣液混合室持續注入欲溶入液體的氣體的氣泡，使氣泡在該氣液混合室內溶入液體成為氣體溶解液，透過前述截面積的比例使該限流通道產生限流的效果，使流入該氣液混合室內的液體能快速補充而將壓力補滿，減少該氣液混合室內液體的壓力變化，令氣體溶解液的濃度穩定，再由該液體儲存室向外輸出氣體溶解液。

本發明使用或實施時，液體由該液體輸入口進入該壓力槽體後，由該氣體輸入管輸入的氣體通過多個氣孔化為氣泡，與液體混合溶解在該氣液混合室內成為氣體溶解液，接著氣體溶解液流入該液體儲存室，再由該液體輸出口輸出提供機台清洗或其他用途的使用。

本發明之效果在於，由於限流通道的總截面積在該液體輸入口的截面積的四分之一以下，因此氣體溶解液由該液體輸出口流出供應機台後，液體能快速地流入該氣液混合室補充將壓力補滿，減少該氣液混合室內液體的壓力變化，過程中不需要電子控制的手段，藉由液體流入與流出孔徑的比例限制，即可使該氣液混合室內產生的氣體溶解液的濃度穩定，進而輸出濃度穩定的氣體溶解液。

為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖1、圖2所示，為本發明一較佳實施例之氣液混合裝置100，主要包括一壓力槽10以及一氣體輸入管20，其中：

該壓力槽10包括一壓力槽體12以及一限流板14，該限流板14結合於該壓力槽體12的內部，如本較佳實施例中該限流板14是將該壓力槽10內部的空間上下兩側分隔成一氣液混合室121以及一液體儲存室122，該壓力槽體12對應該氣液混合室121的頂部具有一液體輸入口123，該壓力槽體12對應該液體儲存室122的底部的兩側具有一液體輸出口124以及一氣體輸入管穿孔125；本發明除前述將該壓力槽10設為直式的狀態以外，在其他較佳實施例中也可以藉由該限流板14將該壓力槽體12內的該氣液混合室121以及該液體儲存室122分隔為左右並列的狀態。

該限流板14具有一限流通道141，以該限流通道141連通該氣液混合室121以及該液體儲存室122，在本較佳實施例中該限流通道141是單孔型態的圓孔，在其他的較佳實施例中該限流板14亦可設計成雙孔或多孔的型態，該限流板14的中間具有一中間穿孔142；本較佳實施例將該限流通道141的總截面積設為小於該液體輸入口截面積的四分之一的設計，藉此可利用該限流通道141限制液體向該液體儲存室122流出的限流功能，使流入該氣液混合室121內的液體能快速補充而將壓力補滿，達到減少該氣液混合室121內液體的壓力變化的效果。

該氣體輸入管20是管體，並且內端由外密封地穿經該氣體輸入管穿孔125而伸入該壓力槽體12的液體儲存室122內，使部分管段位於該壓力槽體12，部分管段位於該壓力槽體12內部。該氣體輸入管20穿入該液體儲存室122的內端是封閉端，於穿入後向上轉折而由該中間穿孔142密封地穿入該氣液混合室121，該氣體輸入管20伸入該氣液混合室121內的部分為一內端部22，該內端部22的周圍具有多個氣孔24；在其他較佳實施例中該氣體輸入管20可改由該壓力槽體12的頂部直接穿入該氣液混合室121，同樣可以達到利用多個氣孔24向該氣液混合室121輸入氣泡與液體混合的效果，這時該限流板14因不需要讓該氣體輸入管20穿過，因此沒有設置前述的中間穿孔142。

前述較佳實施例的該氣液混合裝置100混合氣體與液體時，是由該壓力槽10的液體輸入口123與該氣體輸入管20分別輸入液體與氣體，例如在本較佳實施例中液體與氣體分別使用去離子水(DIW)與二氧化碳氣體(CO ₂gas)。由該液體輸入口123輸入該氣液混合室121的去離子水會充滿該氣液混合室121以及該液體儲存室122，由該氣體輸入管20輸入的二氧化碳氣體會通過多個氣孔24化為氣泡，在該氣液混合室121內混合、溶入去離子水成為二氧化碳的氣體溶解液(CO ₂-DIW)；該氣液混合裝置100透過該液體輸出口124以並聯的方式連接一個以上的晶圓清洗裝置C，在本較佳實施例中是連接多個晶圓清洗裝置C，各晶圓清洗裝置C的前端分別設有一機台手動閥C1，藉由操作各機台手動閥C1可控制各晶圓清洗裝置C的氣體溶解液的總使用量。

為了讓液體接觸各氣孔24的孔壁時，產生毛細現象的毛細壓力（Capillary pressure）朝向各氣孔24內時，能與氣體欲穿過各氣孔24向外的壓力抗衡而對氣體產生反作用力，或在毛細壓力朝向各氣孔24外時牽引氣體產生驅動力，該毛細壓力的大小都需要足以影響氣體壓力。依據毛細現象公式：h=2γcosθ/ρgr，其中γ為液體與空氣之間的表面張力(單位J/m² or N/m)，θ為接觸角，ρ為液體密度(單位kg/m3)，g為重力加速度(單位m/s²)，r為半徑(單位m)，可知毛細壓力與各氣孔24直徑成反比，故將上述設於該內端部22的多個氣孔24的直徑分別設為等於或小於500μm的尺寸為佳，例如在本較佳實施例中，是將多個氣孔24的直徑分別設為150μm以上至160μm以下的尺寸，使液體接觸各氣孔24的孔壁時產生的毛細壓力足以影響氣體的壓力。

前述的氣液混合裝置100運作時，是執行一氣液混合方法，其步驟是藉由該限流板14的設置，將由該氣液混合室121通往該液體儲存室122的限流通道141的總截面積，限制在通往該氣液混合室121的該液體輸入口123的截面積的四分之一以下；接著由該液體輸入口123持續輸入去離子水的液體，並透過該氣體輸入管20向該氣液混合室持續注入欲溶入液體的二氧化碳氣體的氣泡，使氣泡在該氣液混合室內溶入液體成為二氧化碳的氣體溶解液，透過前述截面積的比例使該限流通道141產生限流的效果，使氣體溶解液由該液體輸出口124流出供應各晶圓清洗裝置C後，流入該氣液混合室121內的液體能快速補充而將壓力補滿，減少該氣液混合室121內液體的壓力變化。

以往藉由實驗測試可知，氣液混合的關鍵除了接觸面積、溫度以外，液體的壓力是一個重要的因素，由亨利定律(P=KC，P為壓力，K為常數，C為氣體濃度)可知壓力對於氣體濃度的影響，壓力越穩定，氣液混合的濃度也越穩定。由於本發明於較佳實施例的設計使能使該氣液混合室121內液體的壓力更穩定，因此能令該氣液混合室121內產生的氣體溶解液的濃度穩定，再由該液體儲存室122向外輸出氣體溶解液。此外，本發明可透過將該液體儲存室122的體積限制在該氣液混合室121的體積的四分之一以下，增加該氣液混合室121在該壓力槽體12內的佔比，使該氣液混合室121內儲存的液體多於該液體儲存室122內液體的四倍以上，進一步透過減少該氣液混合室121內液體流動至液體儲存室122佔其整體比例的方式，穩定該氣液混合室121內液體的壓力以及此處產生的氣體溶解液的濃度。

為了調整該氣液混合室121內液體的壓力，在本較佳實施例中於該壓力槽體12對應該氣液混合室121的部分於頂部的周圍具有一洩流孔126，以該洩流孔126連接閥門例如針閥，透過調整針閥的方式由該洩流孔126排放液體，改變、調整該氣液混合室121內液體的壓力。

前述的氣液混合裝置100進一步還包括一氣液供應構造30以及一感測與控制閥組40，其中該氣液供應構造30包括一氣體供應來源32以及一液體供應來源34。該氣體輸入管20的外端接向該氣體供應來源32，該壓力槽10以該液體輸入口123連接一液體輸入管A再接向該液體供應來源34，以該液體輸出口124連接一液體輸出管B，通過該液體輸出管B以並聯的方式連接前述多個晶圓清洗裝置C，並以該洩流孔126連接一洩流管D，在該洩流管D串聯設有一洩流限流閥件D1，該洩流限流閥件D1可為針閥、限流器等。

由於該感測與控制閥組40的閥門都是機械式的構造，因此前述閥門都不需要電子控制，配合該氣液混合室121以及該液體儲存室122的位置，於該壓力槽體12分別安裝一氣液混合室壓力計41以及一液體儲存室壓力計42，分別用於量測該氣液混合室121與該液體儲存室122內的液體壓力，讓使用者能藉由掌握該氣液混合室121與該液體儲存室122內的液體壓力數據的方式，依照需求調整該氣體供應來源32以及該液體供應來源34輸入該壓力槽10的流量，或調整由該洩流孔126與該洩流管D向外排放液體的流量。

為精確調整前述氣體、液體輸入該壓力槽10的流量，或者該壓力槽10由該洩流管D向外排放液體的流量，該感測與控制閥組40還進一步於該氣體輸入管20、該液體輸入管A、該液體輸出管B，以及該洩流管D分別串聯地設有一液體流量計43；於該液體輸入管A以及該氣體輸入管20分別串聯地設有一流量調節閥44，於該液體輸入管A以及該液體輸出管B分別串聯地設有一手動閥45，設於該氣體輸入管20的液體流量計43位於該流量調節閥44的上游，於該氣體輸入管20位於該流量調節閥44下游的位置串聯地設有一限流閥件46，該限流閥件46可為針閥、限流器等，於該氣體輸入管20位於該限流閥件46與該流量調節閥47之間的部分串聯地設有一氣壓計47，於該氣體輸入管20位於該限流閥件46下游的部分串聯地設有一止逆閥48，其中：

位於同一液體輸入管A的該流量調節閥44位於該液體流量計43的下游，設於同一液體輸入管A的該手動閥45位於該液體流量計43的下游；設於同一液體輸出管B的該手動閥45位於該液體流量計43的下游。

為了獲得由該液體輸出管B並聯地輸往多個晶圓清洗裝置C的氣體混合液的濃度，該感測與控制閥組40於該液體輸出管B串聯地設有一濃度偵測裝置49，並將該濃度偵測裝置49設於該手動閥45的下游。在本較佳實施例中，該濃度偵測裝置49是以感測導電率的方式獲得氣體溶解液的氣體濃度（液體導電率與溶解的氣體濃度成正比）。

當陸續開啟各機台手動閥C1，使氣體溶解液由該氣液混合裝置100的液體儲存室122流出的量逐漸增加時，將該濃度偵測裝置49量測氣體溶解液的導電率（μS/cm）與流量（LPM，L/min，公升/分鐘）關係（前述導電率對應氣體溶解的濃度），繪製如圖3所示，於此圖3中還繪製了未裝限流板14時流量與導電率（氣體濃度）的曲線，由未裝/加裝限流板14的兩條曲線比較可知，透過將由該氣液混合室121通往該液體儲存室122的限流通道141的總截面積，限制在通往該氣液混合室121的該液體輸入口123的截面積的四分之一以下的構造與方法，可以有效減少該氣液混合室121內液體的壓力變化，穩定該氣液混合室121內產生的氣體溶解液的濃度。

如上所述，該氣液混合室121內液體的壓力變化已穩定在一定的範圍內，本發明藉由將各氣孔24的直徑限定為等於或小於500 μm的尺寸，例如於上述較佳實施例將直徑進一步限定為150μm以上至160μm以下的尺寸，使接觸各氣孔24周圍孔壁的液體產生的毛細壓力，還能在微幅的壓力變化下控制氣體穿過多個氣孔24進入該氣液混合室121內溶解的流量變化。

藉由限定各氣孔24的尺寸，如圖2與圖4A所示，當該液體輸出口124輸出的流量穩定時，氣體穿過各氣孔24流入該氣液混合室121內。當該液體輸出口124輸出流量瞬間變小時，該氣液混合室121內的壓力會瞬間微幅上升，此時壓力的上升會讓水壓與氣壓的壓差變小，如圖4B所示，讓液體瞬間接觸到各氣孔24的孔壁，藉由朝向各氣孔24內的毛細壓力使液體阻塞各氣孔24，降低氣體進入該氣液混合室121內的總量，減少混合於液體的氣體量。反之當該液體輸出口124輸出的流量變大時，該氣液混合室121內壓力變小，氣體液體間的壓差變大，使氣體穿過各氣孔24進入該氣液混合室121內的進氣量增加；本發明藉由前述的反應可穩定混合的液體濃度。

以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。

［本發明］ 100:氣液混合裝置 10:壓力槽 12:壓力槽體 121:氣液混合室 122:液體儲存室 123:液體輸入口 124:液體輸出口 125:氣體輸入管穿孔 126:洩流孔 14:限流板 141:限流通道 142:中間穿孔 20:氣體輸入管 22:內端部 24:氣孔 30:氣液供應構造 32:氣體供應來源 34:液體供應來源 40:感測與控制閥組 41:氣液混合室壓力計 42:液體儲存室壓力計 43:液體流量計 44:流量調節閥 45:手動閥 46:限流閥件 47:氣壓計 48:止逆閥 49:濃度偵測裝置 A:液體輸入管 B:液體輸出管 C:晶圓清洗裝置 C1:機台手動閥 D:洩流管 D1:洩流限流閥件

圖1是本發明一較佳實施例壓力槽配合氣體輸入管的立體示意圖。圖2為本發明一較佳實施例連接多個晶圓清洗裝置的示意圖。圖3為本發明一較佳實施例加裝/未裝限流板時之流量與導電率圖。圖4A為本發明一較佳實施例液體輸出平衡時的氣孔狀態示意圖。圖4B為本發明一較佳實施例液體輸出減少瞬間的氣孔狀態示意圖。圖4C為本發明一較佳實施例液體輸出增加時的氣孔狀態示意圖。

100:氣液混合裝置

10:壓力槽

12:壓力槽體

121:氣液混合室

122:液體儲存室

123:液體輸入口

124:液體輸出口

125:氣體輸入管穿孔

126:洩流孔

14:限流板

141:限流通道

142:中間穿孔

20:氣體輸入管

22:內端部

24:氣孔

41:氣液混合室壓力計

42:液體儲存室壓力計

A:液體輸入管

B:液體輸出管

D:洩流管

Claims

一種氣液混合裝置，包括：一壓力槽，包括一壓力槽體及一限流板，其中該壓力槽體具有一氣體輸入管穿孔，該限流板設置於該壓力槽體內部且將該壓力槽體內部的空間分隔為一氣液混合室以及一液體儲存室，該限流板具有一限流通道，該限流通道連通該氣液混合室以及該液體儲存室，且該限流通道的總截面積小於該液體輸入口截面積的四分之一，該壓力槽體對應該氣液混合室的部分具有一液體輸入口，該壓力槽體對應該液體儲存室的部分具有一液體輸出口；以及一氣體輸入管，係穿過該氣體輸入管穿孔而使部分管段位於該壓力槽體外，部分管段位於該壓力槽體內部，其中該氣體輸入管位於該壓力槽體內部的管段的內端具有一內端部，該內端部位於該氣液混合室並具有多個氣孔。
如請求項1所述之氣液混合裝置，其中該液體儲存室的體積小於該氣液混合室的體積的四分之一以下。
如請求項1或2所述之氣液混合裝置，其中包括一濃度偵測裝置，該濃度偵測裝置連接於該液體輸出口，用於量測由該液體儲存室向該液體輸出口輸出的氣體溶解液的氣體濃度變化。
如請求項3所述之氣液混合裝置，其中配合該氣液混合室以及該液體儲存室的位置，於該壓力槽體分別安裝一氣液混合室壓力計以及一液體儲存室壓力計，以該氣液混合室壓力計量測該氣液混合室內的液體壓力，以該液體儲存室壓力計量測該液體儲存室內的液體壓力。
如請求項4所述之氣液混合裝置，其中該壓力槽體對應該氣液混合室的部分具有一洩流孔，於該洩流孔連接一洩流管，於該洩流管串聯設有一洩流限流閥件。
如請求項5所述之氣液混合裝置，其中該氣體輸入管穿孔是位於該壓力槽體對應該液體儲存室的位置，令該氣體輸入管的部分管段穿入該液體儲存室，該限流板的中間具有一中間穿孔，該氣體輸入管的該內端部由該中間穿孔穿入該氣液混合室。
如請求項6所述之氣液混合裝置，其中於該液體輸入口連接一液體輸入管接向一液體供應來源，於該氣體輸入管的外端連接一氣體供應來源，於該液體輸出口連接一液體輸出管，該濃度偵測裝置串聯地設於該液體輸出管。
如請求項7所述之氣液混合裝置，其中於該氣體輸入管、該液體輸入管、該液體輸出管，以及該洩流管分別串聯地設有一液體流量計；於該液體輸入管以及該氣體輸入管分別串聯地設有一流量調節閥，位於同一液體輸入管的該流量調節閥位於該液體流量計的下游；於該液體輸入管以及該液體輸出管分別串聯地設有一手動閥，設於同一液體輸入管的該手動閥位於該液體流量計的下游，設於同一液體輸出管的該手動閥位於該液體流量計的下游；以及設於同一洩流管的該洩流限流閥件位於該液體流量計的上游，於該氣體輸入管串聯地設有一限流閥件，設於同一氣體輸入管的該液體流量計以及該限流閥件分別位於該流量調節閥的上、下游；於該氣體輸入管位於該限流閥件與該流量調節閥之間的部分串聯地設有一氣壓計，並於該氣體輸入管位於該限流閥件下游的部分串聯地設有一止逆閥。
如請求項1或2所述之氣液混合裝置，其中各氣孔的直徑等於或小於500μm，當該氣液混合室內的壓力上升使該氣液混合室內的液體接觸到各氣孔的孔壁時，液體會以毛細壓力阻塞各氣孔減少該氣體輸入管輸入的氣體進入該氣液混合室內的總量。
一種氣液混合方法，其方法的步驟包括：將由一氣液混合室通往一液體儲存室的限流通道的總截面積，限制在通往該氣液混合室的液體輸入口的截面積的四分之一以下；以及由該液體輸入口持續輸入液體，並向該氣液混合室持續注入欲溶入液體的氣體的氣泡，使氣泡在該氣液混合室內溶入液體成為氣體溶解液，透過前述截面積的比例使該限流通道產生限流的效果，使流入該氣液混合室內的液體能快速補充而將壓力補滿，減少該氣液混合室內液體的壓力變化，令氣體溶解液的濃度穩定，再由該液體儲存室向外輸出氣體溶解液。
如請求項10所述之氣液混合方法，其中進一步將該液體儲存室的體積限制在該氣液混合室的體積的四分之一以下。
如請求項10或11所述之氣液混合方法，其中各氣孔的直徑等於或小於500μm，當該氣液混合室內的壓力上升使該氣液混合室內的液體接觸到各氣孔的孔壁時，液體會以毛細壓力阻塞各氣孔減少該氣體輸入管輸入的氣體進入該氣液混合室內的總量。