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技術專文

成正比，利用此氣體之物理特性， 氣瓶櫃內調整壓力降至約 5psig，
圖七、傳統水加熱與電磁感應加熱示意圖 圖十、調壓閥與 MFC 之壓力供應曲線比對
對氣體加熱將會提升氣體之壓力。 主要是考量讓此氣體保持位於氣相
目前對氣體之加熱方式有「加熱」 側，不會因為環境溫度降低而進入
7.5
與「保冷」兩種方式，但原理都是 液相側造成冷凝而壓降。此外，由
7
利用「水」為介質對氣體鋼瓶金屬 於機械式調壓閥之壓損因素，一般
本體加熱或保冷，但效率不佳無法 會利用加熱夾克 (Heat Jacket) 為 6.5
符合真正需求，導致無法追上需求 氣體鋼瓶或管路加熱以提升氣體壓 6
端之供應壓力。針對這部份改善， 力，為了就是要克服壓損問題，但 5.5
將應用電磁感應加熱取代傳統加熱 若使用者端之流量需求再變大，就
方式（參考 圖七）。電磁感應加熱 會因為加熱方式效率不佳及加熱之 Outlet Pressure (psig) 5
Heat
Jacket
主要原理是利用電能通過之磁場變 安全考量，無法再進一步增加低壓 4.5
化，在氣體鋼瓶金屬本身內部轉化 氣瓶櫃之供應能力。
Induction 4
Water In Local Power Line Heating 成熱能。在氣體鋼瓶之加熱毯內部
Chiller Heat 應用壓力恆定迴授控制所設計之
Water Out Jacket Temp. signal feedback Controller 3.5
有一銅線制線圈，線圈產生之交流
PCM 系統，先經過 N 2 做模擬測試，
磁場（強弱不停變化的磁場，頻率 3
所獲得 MFC 與調壓閥比較之壓力
一般由 20kHz 至 27kHz），交流磁 2.5
與流量曲線如 圖九所示。若以調壓 1 2.5 4 5.5 7 8.5 10 11.5 13 14.5 16
場通過鋼瓶本身之鐵磁性金屬時，
閥為流量之參考基準，以 MFC 輔 Time (hr)
圖八、低壓氣體溫度與壓力設定 能量以兩種物理現象轉化成熱能：
以電磁感應加熱為設計概念之 PCM
可供應 5 倍之流量，且能提供更穩
60
定之供應壓力，證明了此設計理論 圖十一、水加熱與電磁感應加熱之壓力供應曲線比對
渦電流 (Eddy Current)
50 之可行性，事實上只要選用更大供
又稱為傅科電流 應能力之 MFC 與電磁感應加熱器， 23.5
Vapor Pressure (psia) 20 psig 30 Liquid 1 2 交流磁場使鋼瓶本身產生感應渦電 圖十是實際以真實氣體進行供氣測 21.5
40
將能提供更大流量之供應能力。
流，渦電流在氣體鋼瓶金屬本體內
9 psig
19.5
部受阻進而轉化為熱能。
5 psig 20 1’ 2’ 試，結果亦同理論值一樣，深藍色 17.5
線為 PCM 之供應壓力曲線，呈現
10
Vapor 15.5
磁滯損耗 (Hysteresis Loss) 平穩之供應曲線，不會因為使用端
0 13.5
-20 -10 0 10 2022 30 35 40 50 60 之流量需求之變動而造成壓力之波 Outlet Pressure (psig)
交流磁場在不停的改變鋼瓶本身金
Temperature (ºC) 動變化，但淺藍色線為傳統氣瓶櫃 11.5
屬的磁極方向時，造成能量損失而
之供應壓力曲線，供應壓力波動幅
轉化成熱能。 9.5
度大且易因流量增大而導至壓降。
圖九、MFC 與調壓閥之壓力與流量曲線 但主要的熱力來源是以渦電流所產 圖十一為“水夾克＂加熱與電磁感 7.5 Ⴌᆅདᔗђዦ
生為主，磁滯損耗產生的熱能少於 應加熱之壓力供應曲線比對，結果 5.5 Ьַջђዦ
9
10%，加了熱的鋼瓶本身便可加熱 亦顯示以電磁感應加熱 ( 深藍色線 )
3.5
Regulator 1 2.5 4 5.5 7 8.5 10 11.5 13 14.5 16
8 到內容物氣體了。 之供應壓力之平穩度勝於“水夾
MFC Time (hr)
克＂加熱 ( 淺藍色線 )。
Outlet Pressure (psig) 6 5 Tool*1 Tool*2 Tool*3 Tool*4 結果與分析
7
Tool*5
4 結論 電磁感應加熱取代傳統氣體鋼瓶加
3 熱，並以質量流量控制器取代調壓
100 200 300 400 500 600 在設計與測試過程中，選擇以一
閥，使得供應系統內之壓力持續保
Flow (%) 「低壓」又極易「冷凝」之氣體為 未來新製程所需之低壓氣體數量有
持穩定狀態，不會因為流量需求之
測試目標，依其物理特性，只要週 越來越多的趨勢，除了供給壓力不
變化產生供應壓力變化，針對低壓
遭環境變冷都會造成相位由「氣 穩定之變數外，大量的氣瓶櫃所佔
氣體之供應，甚至未來大型供應系
相」變為「液相」，即所謂之冷凝 空間之需求，與日常操作維護之負
統之供應，實可再進一步廣泛地利
(Condense)。 如 圖八 之相位圖所 荷，亦是需要考量的重要因素。面
號到 MFC 之控制器 (Comparator 張效應做為氣體流量之控制。 示，在環境溫度 22℃供應時，鋼 對各種挑戰及如何確保未來之應用 用。
Control Circuit)，再經控制閥組 另外，因為氣體飽和蒸氣壓力之溫 瓶內壓力約只有 9psig，假設使用 是值得思考的問題。PCM 新式供
(Control Valve)，利用金屬薄膜擴 度函數關係 P=f(T)，即壓力與溫度 端使用壓力需求為 3psig，所以在 應模式改變了傳統供應思維，應用

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