包含用于可燃氣體殘余物后處理的氧離子泵的電化學反應器的制作方法

專利名稱：包含用于可燃氣體殘余物后處理的氧離子泵的電化學反應器的制作方法
包含用于可燃氣體殘余物后處理的氧離子泵的電化學反應器本發明涉及一種方法及設備，用于對包含可燃氣體比如氫氣或,友 氪化合物的氣體流進行抽吸。許多工藝使用或產生包含燃料比如氫氣與碳氫化合物且潛在地 可燃的混合物。比如，外延積淀工藝廣泛地用于高速半導體裝置，高 速半導體裝置同時用于硅與復合半導體應用。外延積淀在高溫典型地大約在800-1 IO(TC的高溫氫氣環境中并在真空狀態下，利用硅源氣體， 典型地為硅烷或氯硅烷復合物如三氯硅烷或二氯硅烷中的一種。在這 種積淀工藝中，積淀氣體在處理腔室中的停留時間相對短暫，并且在 積淀工藝中，僅僅消耗了供應給腔室的氣體的很小一部分比例。結果， 供應給腔室的積淀氣體中的大多數連同來自積淀工藝中的副產品從 腔室中排出去。雖然廢氣自身并不可燃，對這種混合物的抽吸要求對來自泵的前 級管路及廢氣管路的泄露完整性特別地注意，以確保沒有空氣進入管 路中。 一旦氣體混合物高于其下爆炸極限(LEL)的話，泵內的任何點 燃源可能導致危險火焰的產生，危險火焰經由泵而行進到廢氣管路 中。用于避免點燃可燃氣體流的常用技術是將過量的惰性清除氣體， 典型地為氮氣引入到氣體流中，用于促使氣體流低于其LEL，然后用 于將氣體流緊跟著傳送到消除裝置典型地為燃燒器中，用于在氣體流 排放到大氣中之前而可控制地將可燃氣體轉化為其它種類。然而，將 清除氣體供應到氣體流中可減小消除裝置的效率，并且既浪費又成本 高。此外，使用燃燒器來破壞可燃氣體可導致其它不需要的化學物質 作為將可燃氣體破壞的副產品而排放到大氣中。在第一方面中，本發明提供一種用于對包含可燃氣體的氣體流進行抽吸的方法，包括以下步驟在低于大氣壓的壓力將氣體流傳送到 離子傳導膜片一側；將膜片的另一側暴露在氧化氣體中；跨越膜片施 力口電勢差，使得各種反應性氧化物(reactive oxidising species)透過膜片 而與可燃氣體反應，從而至少產生水蒸汽；及隨后在真空泵處接收氣 體，其中，水蒸汽從真空泵上游的氣體流中冷凝，或者在真空泵內的 氣體流中冷凝。因為潛在可爆性氣體混合物的總壓力得以減小，涉及可燃氣體與 氧化劑的氣相化學反應的災難特性也得以減小。通過在低于大氣壓的 壓力下，優選地在小于50mbar,更優選地在小于10mbar的低于大氣 壓的壓力下，將各種反應性氧化物比如氧陰離子或氧基傳送到可燃氣 體中，需要加入氣體流中以便將氣體流減小到低于其下爆炸極限的惰 性清除氣體的量得以減小，優選地減小到零，從而可避免復雜的清除 氣體系統及與其相關的成本。與離子傳導膜片比如釔穩定化的鋯或摻有釓的二氧化鈰氧陰離 子導體相關的優點是需要跨越膜片施加電勢差，以便促使各種氧化 物透過膜片，否則膜片無法供各種氧化物透過。因此，在動力失效的 情況下，氧陰離子向氣體流的移動得以抑制，進而避免了在膜片內產 生潛在可爆性大氣。通過控制施加于膜片的電勢差的幅度，各種氧化 物的透過率可得到控制，從而使各種氧化物進入氣體流的速率充足， 從而與氣體流內的大致全部可燃氣體反應。用于驅動氧陰離子穿過膜 片的電流的絕對幅度將大體上依賴于位于膜片側邊的電極的表面區 域、氧化氣體的局部壓力及氣體流內可燃氣體的數量。根據用于測量 膜片下游的氣體流內的氧氣存在量的傳感器的輸出值，施加于膜片上 的電勢差可得以調整。比如，如果傳感器沒有檢測到氧氣的話，這可 提供一種跡象氧氣向膜片的滲透不足以使氧氣與所有可燃氣體反 應，并且電勢差或電流強度可因此而逐漸增加，直到傳感器檢測到氣 體流中存在氧氣為止。此外，由于可燃氣體與各種氧化物之間的反應產品中的至少一種或在氫氣的情況下為全部反應產品可冷凝，需要對氣體流進行抽吸的 真空泵的尺寸可得以減小，比如當可冷凝核素例如水蒸汽從氣體流中冷凝的時候，包含于氣體流中的氫氣的每個slm(標準升/分鐘)產生了 抽吸速度的額外slm。水蒸汽可在位于膜片與真空泵之間的冷凝器內從氣體流中冷凝。 備選地，真空泵可具有抽吸機構，其將氣體流暴露在水中，并且水蒸 汽從氣體流中冷凝。具有這種抽吸機構的真空泵的例子包括液體環泵 與液體噴射泵。如上文所提到的那樣，可使用位于膜片 一側上的笫一電極及位于 膜片另一側上的第二電極而將電勢差施加到膜片上，其中電極中的至 少 一個包括催化材料比如鉑，用于改善反應動力性。可提供用于控制膜片溫度的裝置。根據膜片的特性，膜片可能需 要加熱到高溫，以便具有所要求的各種氧化物傳導程度。在低于臨界 溫度(Tc)的溫度中，電解材料可以為非傳導性，但在高于Tc的溫度中， 電解質可以逐漸變得更具傳導性。可方便地提供圍繞膜片的加熱器， 用于將膜片加熱到所要求的溫度。在優選實施例中，膜片為具有開孔的圓柱形，氣體流經由開孔而 被真空泵抽吸。為了增加破壞效率，可以平行地提供多個圓柱形膜片。 備選地，膜片可具有板狀結構。氧化氣體可來源于氣態氧化源。雖然可使用其它氣體組分，典型 地將大氣空氣用作氣態氧化源。在第二方面中，本發明提供一種用于抽吸包含可燃氣體的氣體流 的系統。系統包括離子傳導膜片；用于在低于大氣壓的壓力下將氣體 流抽吸到膜片一側的真空泵，膜片的另一側暴露在氧化氣體中；用于 跨越所述膜片施加電勢差的裝置，用于使各種反應性氧化物穿過膜 片，以便與可燃氣體反應，進而至少產生水蒸汽，真空泵設置成接收 來自膜片的氣體流，并設置成具有抽吸機構，抽吸機構將氣體暴露在 水中，并且水蒸汽從氣體流中冷凝。在第三方面中，本發明提供一種用于抽吸包含可燃氣體的氣體流的系統。系統包括離子傳導膜片；用于在低于大氣壓的壓力下將氣體 流抽吸到膜片一側的真空泵，膜片的另一側暴露在氧化氣體中；用于 跨越所述膜片施加電勢差的裝置，用于使各種反應性氧化物穿過膜 片，以便與可燃氣體反應，進而至少產生水蒸汽，真空泵設置成接收 來自膜片的氣體流，并設置成具有抽吸機構，抽吸機構將氣體暴露在 水中，并且水蒸汽從氣體流中冷凝。面，反之亦然。現在將結合附圖描述本發明的優選特征，其中

圖1展示了用于抽吸包含可燃氣體的氣體流的系統的第 一個實施例；圖2更詳細地展示了圖1所示系統的電化學電池與冷凝器的配置；圖3展示了用于控制施加于圖2所示電池的電化學膜片上的電勢 差的系統；圖4展示了穿過具有管狀電化學膜片陣列的電化學電池的截面圖；圖5展示了用于抽吸包含可燃氣體的氣體流的系統的笫二個實施 例；及圖6展示了適于用于圖5所示系統的泵的抽吸機構。參考圖1,用于抽吸包含可燃氣體的氣體流的系統的第一個實施 例包括用于在低于大氣壓的壓力下經由電化學電池12對氣體流進行 抽吸的真空泵IO及位于電池12下游的冷凝器14。真空泵IO可具有 任何抽吸機構，該抽吸機構適于在適當的低于大氣壓的壓力下，優選 地在小于50mbar,更優選地在小于lOmbar的低于大氣壓的壓力下， 經由電池12而對氣體流進行抽吸。真空泵IO可在大氣壓力下或在大氣壓力左右或在另一個低于大氣壓的壓力下將氣體流排出，在這種情 況下，額外的真空泵可位于真空泵10的下游，用于接收從真空泵中去。、 " ' , 、 、電化學電池12及冷凝器14的例子更詳細地展示于圖2中。電池 12包括用于接收氣體流的法蘭狀入口 16及法蘭狀出口 18，氣體流經 由該法蘭狀出口 18而從電池12 ^皮排到冷凝器14。電化學膜片20位 于法蘭狀入口 16與法蘭狀出口 18之間。膜片20具有圓柱形膜片的 形式，圓柱形膜片具有開孔22,氣體流經由該開孔22而被真空泵所 抽吸。在此例子中，膜片20由氧陰離子導體，比如釔穩定化的鋯或 摻有釓的二氧化鈰所形成。第一電極24形成于膜片20的內表面上，用于暴露在氣體流中， 而第二電極26則形成于膜片20的外表面上，用于暴露在氧化氣體比 如空氣中。電極24、 26可借助技術比如真空濺鍍或將任何適當商業 上可獲得的"油墨，，施加于表面而積淀上去。在電極中的一個借助油 墨而形成于膜片20的表面上的情況中，整個組件必須在油墨特性所 確定的適當氣氛中進行燒制。第一電極24優選地由能夠將碳氫化合 物催化氧化成二氧化碳與水的材料及/或能夠將氫氣催化氧化成水的 材料所形成。 一個適當的例子是柏。第二電極優選地由能夠催化氧或 其它各種反應性氧化物的解離吸附的材料所形成。再次， 一個適當的 例子是鉑。在將氣體而不是空氣用作氧化氣體源的場合中，電池12 可以被殼體所環繞，該殼體具有用于接收氧化氣體流的入口及用于將 這種氣流從殼體中驅出的出口 。根據用于形成膜片20的材料特性，膜片可能需要加熱，以便將 其溫度升到高于臨界溫度Tc,膜片20能夠在臨界溫度Tc時傳導各種 反應性氧化物，比如氧陰離子。考慮到這一點，電池12可以包括圍 繞膜片20延伸的加熱器，用于將膜片20加熱到所要求的溫度，再次 根據用于形成膜片26的材料，該溫度可以為至少30(TC。可以提供加熱器控制器30，用于控制加熱器28,比如作為對接收自靠近膜片20而定位的熱電偶的溫度信號的響應。提供低壓電源32，以便將電勢差施加于第一與第二電極24、 26 之間，并且因此而穿過膜片20。同時提供伏安計34,用于測量電極 24、 26之間的電勢差。在殼體環繞膜片20的地方，氣密性引電器可 以允許對恒定電源32及伏安計34的電連接，以便傳遞到電極24、 26。在使用的過程中，膜片20的外表面暴露在氧化氣體，方便地為 空氣中，并且借助電源32而將電勢差跨越膜片20施加。在第二電極 26處，將空氣中的氧氣減小，以便形成氧陰離子O2+2V0+4e- : 2Oo其中，Vo為雙電荷氧陰離子空位，而Oo則為膜片20內的填充氧 陰離子點位。當膜片20的溫度高于Tc時，氧陰離子將以一定速率透 過膜片20，該速率依賴于電極24、 26的表面區域、氧氣在膜片20外 表面上的局部壓力及跨越膜片20施加的電勢差。在第 一 電極24處，氧陰離子與包含于氣體流中的可燃氣體反應， 可燃氣體經由膜片的開孔22而傳送，并且因此而傳送到膜片的內表 面上。比如，對于具有通式CxHy且x》0、 y》2的可燃氣體而言，反 應是根據通用方程進行的C為 + (2x+y/2)02 = xC02 + y/2H20 + (4x+y)e'從而產生水蒸汽，并且當x>l時產生二氧化碳。如圖3所示，氣體傳感器50可以位于電池12的下游，用于^r測 存在于電池12下游的氣體流內的氧氣量。根據比如包含于氣體流內 的氧氣量，傳感器50可以將信號輸出到控制器52。當此氣體流中未 包含氧氣時，這可顯示為電池12內的可燃氣體不完全減少的跡象， 因此作為對從傳感器50輸出的信號的響應，控制器52可以將信號輸 出到電池12，從而增加了跨^M片20施加的電勢差，進而增加了氧 陰離子穿透膜片20的速率，直到在氣體流中檢測到氧氣。對于氣體流中流速相對較高的氫氣(幾個slm)或碳氫化合物(高于100個slm)而言，可以增加膜片20的數量，以便增加同時暴露在可燃 氣體與氧化氣體的膜片表面區域。比如，如圖4所示， 一列圓柱形膜 片20可以平行地設置，以便接收氣體流，每個圓柱形膜片20具有形 成于其相應內表面與外表面上的電極。每個膜片20可以在其一端連 接到入口岐管(圖未示)的相應出口 ，該入口岐管具有連接到法蘭狀入 口 16的入口，并且每個膜片20可以在其另一端連接到出口岐管(圖未 示)的相應入口，該出口岐管具有連接到法蘭狀出口 18的出口，從而 使氣體流經由其開孔22而^皮傳遞。比如，5x5列的膜片20可以提供 大約為1600cn^的表面區域，每個膜片20的直徑為lcm,而有效長度 為20cm 。由于100mA/cm2的電流強度跨過每個膜片而建立，可以獲 得大約5.6 slm的氧氣流入氣體流的流量。參考圖2，穿過法蘭狀出口 18的氣體流將包含/人電池12內的可 燃氣體的氧化而來的水蒸汽。在此例子中，氣體流隨后由真空泵10 抽吸經過冷凝器14,以便將水蒸汽從氣體流中冷凝出來。冷凝器的構 造及運行是眾所周知的，因此這里不再對其詳述。由冷凝器14從氣 體流中冷凝出來的水收集在冷凝器14的集水容器38內，并且借助排 水閥40而周期性地或連續地將其從冷凝器14中排出。通過將水蒸汽 從位于真空泵10上游的氣體流中冷凝出來，真空泵的尺寸可以減小 及/或通過系統的氣體流抽吸速度可得到增強。圖5展示了用于抽吸包含可燃氣體的氣體流的系統的笫二個實施 例。該第二個實施例目前不同于第一個實施例，因為第一個實施例的 真空泵10及冷凝器14由真空泵60所替換，該真空泵60具有抽吸機 構，其將氣體流暴露在水中，并且水蒸汽從氣體流中冷凝出來。適當 真空泵的例子包括水噴射泵及如圖6所示的水環泵。參考圖6，水環 泵60大體上具有抽吸機構，該抽吸機構包括轉動地安裝在環形殼體 92內轉子90,從而使轉子軸線94偏心于殼體92的中心軸線96。轉 子90具有葉片98,葉片98>^人轉子90徑向向外地延伸，并且葉片98 均勻地分布在轉子90周圍。隨著轉子90的轉動，葉片90與由入口100進入殼體92的水或其它水溶液接合，并且在殼體92內將其形成 環形圈102。水從適當的源泉比如水箱或其它水庫而傳送到泵60。氣體流經由氣體入口 104而進入泵60內，并且,皮拖入到相鄰葉 片98之間的空間106內。包含于氣體流中的水蒸汽在形成于泵60內 的環形圈102內冷凝。泵60上設置有位于其出口側邊的排出口 108， 用于將液體/氣體混合物從泵60排出去，液體/氣體混合物包括液體溶 液、氣體流的任何液體可溶解組分及保留在氣體流中的任何氣相物 質，液體溶液包含有來自環形圈102的液體。當水從排出口108傳送 的時候，通過將新鮮液體經由入口 100供應給殼體92而使環形圈102 得以補充。從泵60排出去的液體/氣體混合物流可以隨后在位于泵60 的排出口 108下游的排出分離器(圖未示)內分離。氣體可以排放到大 氣中，而液體則^皮收集起來，以便安全地處理。備選地，可以處理液 體，以便返回再用源中。因此，抽吸系統的第二個實施例不要求分離的冷凝器來將水蒸汽 從真空泵上游的氣體流中冷凝出來，其能夠減d、系統成本。
權利要求
1.一種用于對包含可燃氣體的氣體流進行抽吸的方法，包括以下步驟在低于大氣壓的壓力下將所述氣體流傳送到離子傳導膜片一側；將所述膜片的另一側暴露在氧化氣體中；跨越所述膜片施加電勢差，使得各種反應性氧化物透過所述膜片而與所述可燃氣體反應，從而至少產生水蒸汽；及隨后在真空泵處接收所述氣體，其中，所述水蒸汽從所述真空泵上游的所述氣體流中冷凝，或者在所述真空泵內的所述氣體流中冷凝。
2. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述水蒸汽從位于所 述膜片與所述真空泵之間的冷凝器內的所述氣體流中冷凝。
3. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述真空泵具有抽吸 機構，其將所述氣體流暴露在水中，并且所述水蒸汽從所述氣體流中 冷凝。
4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述真空泵包括液體 環泵與液體噴射泵中的其中之一。
5. 如上述權利要求中任何一項所述的方法，其特征在于，使用位 于所述膜片的所述一側上的第一電極及位于所述膜片的所述另 一側 上的第二電極而跨越所述膜片施加電勢差。
6. 如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述電極中的至少一 個包括催化材料。
7. 如上述權利要求中任何一項所述的方法，其特征在于，所述膜 片尋皮加熱到至少為30(TC的溫度。
8. 如上述權利要求中任何一項所述的方法，其特征在于，所述膜 片為具有開孔的圓柱形，所述氣體流經由所述開孔而一皮所述真空泵抽 吸。
9. 如權利要求8所述的方法，其特征在于，包括多個互相平行地 連接的所述圓柱形膜片。
10. 如上述權利要求中任何一項所述的方法，其特征在于，存在 于所述膜片下游的所述氣體流內的氧氣含量被檢測，并且作為對所檢 測到的氧氣含量的響應，跨越所述膜片施加的電勢差得以控制。
11. 如上述權利要求中任何一項所述的方法，其特征在于，所述氣體流在小于50mbar的壓力下傳送到所述膜片的所述一側。
12. 如上述權利要求中任何一項所述的方法，其特征在于，所述 氣體流在小于10mbar的壓力下傳送到所述膜片的所述一側。
13. —種用于抽吸包含可燃氣體的氣體流的系統，所述系統包括 離子傳導膜片；用于將所述氣體流傳送到所述膜片一側的裝置，所述 膜片的另 一側暴露在氧化氣體中；用于跨越所述膜片施加電勢差的裝 置，使得各種反應性氧化物穿過所述膜片，以便與所述可燃氣體反應， 進而至少產生水蒸汽；用于接收來自所述膜片的氣體流并將所述水蒸 汽從所述氣體流中冷凝出來的裝置。
14. 如權利要求13所述的系統，其特征在于，所述冷凝裝置包括 冷凝器。
15. 如權利要求14所述的系統，其特征在于，包括位于所述冷凝 器下游的真空泵，用于在低于大氣壓的壓力下將所述氣體流抽吸到所 述膜片的一側并穿過所述冷凝器。
16. 如權利要求13所述的系統，其特征在于，所述冷凝裝置包括 真空泵，用于在低于大氣壓的壓力下將所述氣體流抽吸到所述膜片的 一側，所述真空泵具有抽吸機構，其將所述氣體流暴露在水中，并且 其中所述水蒸汽從所述氣體流中冷凝。
17. —種用于抽吸包含可燃氣體的氣體流的系統，所述系統包括 離子傳導膜片；用于在低于大氣壓的壓力下將所述氣體流抽吸到所述 膜片一側的真空泵，所述膜片的另一側暴露在氧化氣體中；用于跨越 所述膜片施加電勢差的裝置，使得各種反應性氧化物穿過所述膜片， 以便與所述可燃氣體反應，進而至少產生水蒸汽，所述真空泵設置成 接收來自所述膜片的氣體流，并且所述真空泵具有抽吸機構，其將所述氣體流暴露在水中，并且其中所述水蒸汽從所述氣體流中冷凝。
18. 如權利要求15-17中任何一項所述的系統，其特征在于，所述泵包括液體環泵與噴射泵中的其中之一。
19. 如權利要求15-18中任何一項所述的系統，其特征在于，所 述泵配置成在小于50mbar的壓力下將所述氣體流抽吸到所述膜片的 所述一側。
20. 如權利要求15-19中任何一項所述的系統，其特征在于，所 述泵配置成在小于10mbar的壓力下將所述氣體流抽吸到所述膜片的 所述一側。
21. 如權利要求13-20中任何一項所述的系統，其特征在于，所 述跨越所述膜片施加電勢差的裝置包括位于所述膜片的 一 側上的第 一電極及位于所述膜片的另一側上的第二電極。
22. 如權利要求21所述的系統，其特征在于，所述電極中的至少 一個包括催化材料。
23. 如權利要求22所述的系統，其特征在于，所述催化材料包括鉑。
24. 如權利要求13-23中任何一項所述的系統，其特征在于，包 括用于將所述膜片加熱到至少為300°C的溫度的裝置。
25. 如權利要求13-24中任何一項所述的系統，其特征在于，所 述膜片為具有開孔的圓柱形，所述氣體流經由所述開孔而被所述真空 泵抽吸。
26. 如權利要求25所述的系統，其特征在于，包括多個互相平行 地連接的所述圓柱形膜片。
27. 如權利要求13-26中任何一項所述的系統，其特征在于，包 括傳感器，用于檢測存在于所述膜片下游的所述氣體流內的所述氧氣 含量；及控制器，用于作為對傳感器輸出的響應，而控制跨越所述膜 片施加的電勢差。
全文摘要
一種用于抽吸包含可燃氣體的氣體流的系統包括固態氧化物離子傳導膜片(20)；及用于在低于大氣壓的壓力下將氣體流抽吸到膜片一側的真空泵(36)。膜片的另一側暴露在氧化氣體中，并且電勢差跨越膜片而施加，使得各種反應性氧化物穿過膜片，以便與可燃氣體反應，進而至少產生水蒸汽。氣體流隨后由真空泵(36)所接收。真空泵可以具有抽吸機構，抽吸機構將氣體暴露在水中，并且其中水蒸汽從氣體流中冷凝。或者，冷凝器(14)提供于泵和膜片之間，用于從氣體流中冷凝水蒸汽。
文檔編號B01D53/26GK101287535SQ200680037221
公開日2008年10月15日 申請日期2006年8月17日 優先權日2005年10月7日
發明者R·B·格蘭特 申請人:愛德華茲有限公司