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VOL.52 廠務季刊 二氯矽烷供應系統之冷凝現象探討

2.3 氣體冷凝現象之概述

當過熱的氣體分子接觸到溫度低於飽和溫度環境時， 冷凝現象大致可分為空間冷凝(Bulk condensation)
[01]
相變化隨之發生，使得氣體分子由過熱狀態轉移到飽 及表面冷凝(Surface condensation) 兩種型態 ；
和狀態或次冷狀態，轉變成液體，這種過程即稱為冷 空間冷凝係指蒸汽直接在低於飽和溫度的環境氣體
凝(Condensation)。一般物質三相圖與本文所探討之 內凝結形成霧氣，也可稱為均質冷凝(homogenous
DCS 氣液相圖變化可參閱圖2 及圖3，物體由圖示下 condensation)；表面冷凝則為蒸汽接觸到低於飽和
方氣相區域轉為中間液相區域即稱為冷凝，冷凝是會 溫度表面時所發生的冷凝現象，也稱作非均質冷凝
自然發生的現象，尤其若該氣體相變化點溫度越接近 (non-homogenous condensation)，二氯矽烷於廠
室溫，冷凝現象則越容易發生，如本文所探討的二氯 務供應氣體房間溫度 22.5℃環境下，飽和蒸汽壓為
矽烷氣體。 23.7psia，屬於低壓性易冷凝種類，因此需透過鋼瓶
加熱將鋼瓶瓶壓提升以穩定供應壓力，且需於供應管
路包覆保溫棉來避免管路內氣體因接觸到接近室溫的
管壁而產生上述非均質冷凝現象。

Jakob 認為當蒸汽接觸到較冷的表面時，會先在表面
形成很薄的液膜，隨著冷凝持續發生液膜厚度將逐漸
增加，當液膜厚度達臨界點後，液膜將破裂形成微小
液珠 [02] ，上述現象重複發生時將使液體體積增加，逐
漸佔據管路內體積而影響氣體通過截面積進而影響廠
務端供應至機台之氣體壓力。R.Yun 研究不同管壁厚
度與表面粗糙度之不銹鋼管，並討論液膜厚度、熱傳
係數與管路材料對熱傳性能之影響，結果認為表面粗
糙度和管路材料對冷凝熱傳係數的影響會隨著冷凝液
膜厚度變薄而更加重要 [03] ，廠務新工設計各廠 DCS
圖 2：一般物質三相圖
氣櫃使用之供應管路皆為 SUS316L 管壁厚約 2mm
之不銹鋼管，由此文獻可推估若以不同管壁材質厚度
或管路供應設計，或許也是未來能減低冷凝現象提升
壓力供應穩定可探討的議題之一。

在管路凝結的情況下，由於蒸汽與液膜以不同的速度
前進，造成氣液介面呈現不穩定的波動，稱為赫爾
霍茲不穩定性(Helmholtz instability)，B. Mederic
等人就曾以此論點觀察三種不同內徑管路之冷凝流變
[04]
化 ，依上述論點可以推測流體速率也是影響氣體
冷凝的因素之一，尤其廠務供應系統之流量變化正相
關於設備機台用量，若設備無用量將導致氣體閒置效
圖 3：DCS 氣液相圖
應產生，據廠務運轉經驗顯示氣體閒置將更容易產生
冷凝現象進而影響製程產品膜厚變異。

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