Ứng Dụng Khí Heli Trong Công Nghiệp Và Vai Trò Trong Sản Xuất

Ứng dụng khí heli trong công nghiệp trải rộng từ sản xuất bán dẫn, hàn kim loại, kiểm tra rò rỉ đến sợi quang, xử lý nhiệt, cryogenic, hàng không vũ trụ và thiết bị phân tích. Những ứng dụng này dựa trên các đặc tính đặc biệt của helium như tính trơ hóa học cao, khả năng truyền nhiệt tốt, nhiệt độ sôi cực thấp và khả năng làm khí đánh dấu trong kiểm tra độ kín. Tomoe Vietnam sẽ cùng bạn tìm hiểu từng ứng dụng và cách lựa chọn nguồn He phù hợp với yêu cầu sản xuất.

Vì sao khí heli được sử dụng trong công nghiệp?

Heli hay helium, ký hiệu hóa học He, thuộc nhóm khí hiếm. Trong điều kiện thông thường, helium không màu, không mùi, không cháy và có tính trơ hóa học rất cao.

Điểm đáng chú ý là giá trị của helium trong công nghiệp không chỉ đến từ tính trơ. Khí còn có khối lượng phân tử thấp, khả năng truyền nhiệt tốt, nhiệt độ sôi cực thấp và nguyên tử nhỏ. Mỗi đặc điểm phù hợp với một nhóm quy trình khác nhau.

Theo Air Liquide, helium có độ dẫn nhiệt khoảng 151–155 mW/(m.K) trong các điều kiện được cơ sở dữ liệu của hãng công bố. Đây là một trong những nguyên nhân He được sử dụng trong các quá trình cần truyền nhiệt hoặc làm mát hiệu quả. (encyclopedia.airliquide.com)

Tuy nhiên, helium không phải lựa chọn tối ưu cho mọi quy trình cần khí trơ. Nitrogen hoặc argon thường kinh tế hơn trong nhiều ứng dụng. He phát huy giá trị rõ nhất khi công nghệ thực sự cần những tính chất riêng mà các khí thay thế không đáp ứng tốt.

Các ứng dụng khí heli trong công nghiệp phổ biến

Phạm vi sử dụng helium trong công nghiệp rất rộng. Linde hiện liệt kê các ứng dụng từ semiconductor, heat treatment, high-alloy welding và instrument calibration đến rocket pressurization và leak testing. (linde-gas.com)

Khí bảo vệ trong hàn và chế tạo kim loại

Trong hàn TIG/GTAW và một số cấu hình MIG/GMAW, helium được dùng làm khí bảo vệ nhằm ngăn vùng hồ quang và kim loại nóng chảy tiếp xúc trực tiếp với không khí.

Oxygen, nitrogen và hơi ẩm có thể tham gia phản ứng với kim loại khi nhiệt độ cao, gây ảnh hưởng đến độ sạch, độ ngấu hoặc tính chất của mối hàn. Helium tạo một vùng khí trơ bao quanh hồ quang và vũng hàn để hạn chế những tác động này.

Ngoài nhiệm vụ bảo vệ, He còn làm thay đổi đặc tính nhiệt của hồ quang. So với argon, helium thường tạo điện áp hồ quang cao hơn và có thể tăng năng lượng truyền vào vật hàn.

Nhờ đó, He hoặc hỗn hợp Ar–He có thể phù hợp khi:

• Hàn nhôm, đồng và kim loại dẫn nhiệt cao.

• Hàn chi tiết tương đối dày.

• Cần tăng độ ngấu.

• Cần tăng tốc độ di chuyển.

• Argon tinh khiết chưa cung cấp đủ heat input.

Air Liquide cũng xác nhận helium được sử dụng cho arc welding và laser welding trong các ngành công nghiệp. (encyclopedia.airliquide.com)

Tuy nhiên, helium không mặc định tốt hơn argon. Argon thường dễ mồi hồ quang, ổn định và kinh tế hơn. Vì vậy, hỗn hợp Ar–He thường được lựa chọn khi doanh nghiệp muốn cân bằng giữa độ ổn định và nhiệt lượng.

Helium trong sản xuất bán dẫn và linh kiện điện tử

Bán dẫn là một trong những lĩnh vực mà helium có giá trị kỹ thuật đặc biệt cao. Quy trình sản xuất wafer và chip đòi hỏi kiểm soát rất chặt nhiệt độ, môi trường khí và hàm lượng tạp chất.

Helium có thể tham gia nhiều công đoạn như:

• Purging buồng xử lý.

• Backside wafer cooling.

• Làm nguội wafer sau công đoạn nhiệt.

• Carrier gas.

• Etching.

• Sputtering.

• Một số quá trình deposition.

• Kiểm tra độ kín của thiết bị vacuum.

Một ứng dụng tiêu biểu là backside wafer cooling. Trong các hệ thống plasma, wafer có thể phát sinh nhiệt lớn. Helium được đưa vào khoảng không giữa mặt sau wafer và chuck để truyền nhiệt, giúp kiểm soát nhiệt độ bề mặt trong quá trình xử lý.

Air Liquide cho biết helium được sử dụng rộng trong semiconductor và electronics, bao gồm các ứng dụng liên quan đến cooling, purging và các bước xử lý công nghệ cao. (vn.airliquide.com)

Trong một số quá trình, He cũng đóng vai trò carrier hoặc push gas để đưa precursor tới buồng phản ứng. Air Liquide mô tả helium có thể dùng để vận chuyển các tiền chất deposition tới reaction chamber. (encyclopedia.airliquide.com)

Điểm quan trọng là không phải helium công nghiệp thông thường đều phù hợp với semiconductor.

Các fab bán dẫn có thể yêu cầu:

• Purity rất cao.

• Hàm lượng O₂ cực thấp.

• Độ ẩm H₂O được kiểm soát.

• Hydrocarbon ở mức giới hạn rất thấp.

• Hệ thống đường ống và regulator hạn chế contamination.

Do đó, việc lựa chọn khí cho semiconductor phải dựa trên specification của thiết bị và công nghệ cụ thể.

Kiểm tra rò rỉ trong thiết bị và hệ thống công nghiệp

Helium leak testing là một trong những ứng dụng đặc trưng nhất của He.

Nguyên tử helium có kích thước nhỏ nên có khả năng đi qua những khe hở rất nhỏ. Đồng thời, helium có thể được phát hiện bằng thiết bị chuyên dụng như mass spectrometer với độ nhạy cao.

Nguyên lý cơ bản gồm:

1. Đưa helium vào bên trong hệ thống hoặc bố trí khí phía ngoài.

2. Tạo chênh lệch áp suất phù hợp.

3. Helium đi qua vị trí rò nếu tồn tại khe hở.

4. Detector phát hiện lượng He thoát ra.

5. Hệ thống xác định leak rate và đánh giá theo giới hạn kỹ thuật.

Phương pháp này được sử dụng cho:

• Thiết bị chân không.

• Bồn áp suất.

• Heat exchanger.

• Valve và fitting.

• Đường ống công nghiệp.

• Thiết bị bán dẫn.

• Hệ thống lạnh.

• Thiết bị hàng không vũ trụ.

Linde xác nhận leak testing là một trong những ứng dụng công nghiệp quan trọng của helium trong nhiều quy trình sản xuất. (linde-gas.com)

Đây cũng là một nghịch lý kỹ thuật của helium: đặc tính giúp He phát hiện được những khe rò rất nhỏ cũng khiến chính các đường ống và thiết bị chứa helium phải có độ kín tốt.

Purging và tạo môi trường trơ

Trong một số nhà máy, helium được dùng để purging hoặc tạo môi trường khí ít phản ứng trước khi đưa thiết bị vào vận hành.

Mục đích có thể gồm:

• Đẩy không khí khỏi đường ống.

• Giảm hàm lượng oxygen.

• Loại bỏ hơi hoặc khí còn tồn dư.

• Tạo môi trường bảo vệ trong thiết bị.

• Chuẩn bị hệ thống trước một bước xử lý nhạy cảm.

Tuy nhiên, purging thông thường không phải lý do đủ để lựa chọn helium.

Nitrogen được dùng phổ biến hơn trong nhiều quy trình inerting vì chi phí thấp và nguồn cung thuận lợi hơn. Argon cũng phù hợp với nhiều ứng dụng cần môi trường trơ.

Helium thường được cân nhắc khi hệ thống đồng thời cần một hoặc nhiều đặc tính sau:

• Khối lượng phân tử thấp.

• Truyền nhiệt tốt.

• Nhiệt độ làm việc rất thấp.

• Khả năng phát hiện rò.

• Tính tương thích với thiết bị đặc thù.

Vì vậy, lựa chọn He cho purge cần dựa trên nhu cầu kỹ thuật thực tế, không nên chỉ vì helium là khí hiếm hoặc có độ tinh khiết cao.

Helium trong xử lý nhiệt và luyện kim

Helium cũng xuất hiện trong một số hệ thống heat treatment và xử lý vật liệu.

Trong các quá trình nhiệt, môi trường khí có thể ảnh hưởng trực tiếp tới:

• Phản ứng oxy hóa.

• Chất lượng bề mặt.

• Tốc độ truyền nhiệt.

• Quá trình làm nguội.

• Tính chất vật liệu sau xử lý.

Linde liệt kê heat treatment trong nhóm ứng dụng công nghiệp của helium. (linde-gas.com)

Helium có thể mang lại lợi ích nhờ hai đặc tính:

• Thứ nhất, tính trơ: hạn chế phản ứng không mong muốn giữa vật liệu nóng và môi trường khí.
• Thứ hai, khả năng truyền nhiệt: giúp tăng tốc trao đổi nhiệt trong những cấu hình thích hợp.

Dù vậy, He không phải khí heat treatment phổ biến nhất. Nitrogen, argon, hydrogen và các hỗn hợp khác thường được sử dụng rộng rãi tùy kim loại và công nghệ.

Helium phù hợp hơn với các hệ thống có yêu cầu nhiệt, vật liệu hoặc tốc độ làm nguội đặc biệt mà lợi ích kỹ thuật đủ bù cho chi phí khí.

Ứng dụng helium trong sản xuất sợi quang

Sản xuất sợi quang là một ứng dụng quan trọng nhưng ít được người dùng phổ thông biết tới.

Quá trình sản xuất bắt đầu từ preform, một thanh thủy tinh silica có độ tinh khiết cao. Preform sau đó được nung nóng và kéo thành sợi có đường kính rất nhỏ ở tốc độ cao.

Air Liquide cho biết hydrogen, oxygen và helium đều được sử dụng trong quá trình tạo preform; sau đó helium được dùng để làm nguội sợi quang vừa được kéo ra. Hãng cho biết tốc độ kéo có thể đạt khoảng 1.500–2.000 m/phút trong các dây chuyền được mô tả. (vn.airliquide.com)

Khả năng truyền nhiệt tốt của helium giúp:

• Làm nguội sợi nhanh.

• Kiểm soát nhiệt độ trong quá trình kéo.

• Hỗ trợ tăng tốc độ sản xuất.

• Duy trì điều kiện ổn định trước các công đoạn phủ tiếp theo.

Với lĩnh vực này, độ tinh khiết cũng là yếu tố quan trọng do vật liệu optical fiber yêu cầu kiểm soát contamination rất chặt.

Làm lạnh cryogenic và thiết bị siêu dẫn

Helium có nhiệt độ sôi rất thấp, khoảng 4,2 K, nên đặc biệt phù hợp với các ứng dụng cryogenic sâu.

Trong môi trường công nghiệp và nghiên cứu, helium lỏng có thể được dùng cho:

• Nam châm siêu dẫn.

• Thiết bị NMR.

• Nghiên cứu vật lý vật chất ngưng tụ.

• Thiết bị thử nghiệm nhiệt độ thấp.

• Một số hệ thống đo lường khoa học.

Linde cho biết helium được dùng để làm lạnh thiết bị NMR và các hệ thống superconductive khác. (linde-gas.com)

Cần phân biệt rõ helium khí và helium lỏng.

Helium khí thường được cung cấp bằng chai hoặc hệ thống khí nén, trong khi helium lỏng cần bình chứa cryogenic chuyên dụng và quy trình vận hành hoàn toàn khác.

Không thể lấy một bình He khí thông thường rồi sử dụng trực tiếp cho hệ thống cần helium lỏng.

Helium trong hàng không vũ trụ và hệ thống áp suất

Helium cũng đóng vai trò quan trọng trong ngành aerospace.

Trong tên lửa và tàu vũ trụ, He có thể được dùng để:

• Tạo áp cho bồn nhiên liệu.

• Tạo áp cho bồn chất oxy hóa.

• Purging.

• Kiểm tra rò rỉ.

• Hỗ trợ một số hệ thống khí nén.

• Làm việc gần các môi trường cryogenic.

Linde liệt kê helium trong ứng dụng pressurizing rocket fuel, cho thấy đây là một vai trò thực tế của He trong công nghệ tên lửa. (linde-gas.com)

Helium được lựa chọn do không cháy, trơ và có nhiệt độ hóa lỏng thấp. Tuy nhiên, đây không phải nhiên liệu chính tạo lực đẩy trong phần lớn hệ thống tên lửa; vai trò của He chủ yếu là khí kỹ thuật hỗ trợ.

Vì hệ aerospace có yêu cầu cao về khối lượng, áp suất và độ kín, helium thường được chứa trong bồn chịu áp cao rồi điều áp xuống mức cần thiết khi vận hành.

Phân tích, hiệu chuẩn và khí đặc biệt

Một nhóm ứng dụng khác của helium nằm ở thiết bị phân tích và phòng thí nghiệm công nghiệp.

Helium có thể được dùng trong:

• Gas chromatography.

• Carrier gas.

• Analytical instrumentation.

• Calibration.

• Vacuum systems.

• Specialty gas mixtures.

• Một số phép đo vật lý.

Linde liệt kê analytical instrument calibration trong các ứng dụng của helium. (linde-gas.com)

Trong sắc ký khí, He có thể đóng vai trò carrier gas đưa mẫu đi qua cột phân tích. Tuy nhiên, lựa chọn carrier gas phụ thuộc detector, phương pháp, tốc độ phân tích và cấu hình thiết bị; helium không phải lựa chọn duy nhất trong mọi hệ GC.

Với khí dùng cho phân tích, chỉ nhìn vào con số purity tổng thể thường chưa đủ. Một số ứng dụng cần kiểm soát riêng:

• H₂O.

• O₂.

• Hydrocarbon.

• CO hoặc CO₂.

• Tạp chất khác ảnh hưởng detector.

Do đó, specification của nhà sản xuất thiết bị và phương pháp phân tích cần được ưu tiên.

Bảng tổng hợp ứng dụng khí heli theo ngành công nghiệp

Mỗi ứng dụng tận dụng một đặc tính khác nhau của helium. Vì vậy, không tồn tại một specification duy nhất phù hợp cho mọi ngành.

Khi nào helium khó thay thế bằng Argon hoặc Nitrogen?

Argon và nitrogen đều được sử dụng rộng trong công nghiệp và thường có lợi thế về chi phí so với helium.

Nitrogen hoặc argon có thể phù hợp hơn khi:

• Chỉ cần inerting thông thường.

• Quá trình không làm việc ở nhiệt độ cực thấp.

• Không cần helium leak detection.

• Hàn không yêu cầu thêm heat input.

• Thiết bị cho phép sử dụng carrier gas khác.

• Tính kinh tế là ưu tiên lớn.

Ngược lại, helium có lợi thế rõ hơn khi:

• Cần truyền nhiệt tốt.

• Hệ thống làm việc ở nhiệt độ cryogenic rất thấp.

• Cần phát hiện những mức rò nhỏ.

• Hàn kim loại có độ dẫn nhiệt cao.

• Semiconductor yêu cầu một process gas cụ thể.

• Aerospace đã được thiết kế dùng helium.

• Thiết bị phân tích yêu cầu He theo phương pháp.

Điều quan trọng là không nên lựa chọn helium chỉ vì đây là khí “cao cấp” hoặc cho rằng nó luôn tốt hơn N₂ và Ar. Khí phù hợp nhất là khí đáp ứng được process specification với tổng chi phí hợp lý.

Độ tinh khiết của helium ảnh hưởng thế nào đến ứng dụng?

Hai nguồn helium cùng là He nhưng có thể không phù hợp để thay thế cho nhau nếu grade và giới hạn tạp chất khác nhau.

Ví dụ:

Một hệ thống hàn thông thường có yêu cầu hoàn toàn khác fab bán dẫn. Trong semiconductor, chỉ một lượng nhỏ H₂O, O₂ hoặc hydrocarbon cũng có thể ảnh hưởng quy trình hoặc bề mặt wafer.

Ngược lại, lựa chọn một grade cực cao cho ứng dụng không cần thiết có thể làm tăng chi phí mà không mang lại lợi ích tương ứng.

Vì vậy, nguyên tắc phù hợp là chọn đúng grade theo quy trình thay vì mặc định chọn grade cao nhất.

Các hình thức cung cấp helium cho nhu cầu công nghiệp

Tùy mức tiêu thụ và hệ thống sử dụng, helium có thể được triển khai theo nhiều hình thức.

Chai khí nén

Phù hợp với:

• Nhu cầu nhỏ hoặc trung bình.

• Hàn.

• Leak test.

• Phòng thí nghiệm.

• Điểm sử dụng độc lập.

Chai phải kết nối với regulator phù hợp với áp suất nguồn và yêu cầu đầu ra.

Cụm chai

Khi một chai không đáp ứng đủ lưu lượng hoặc thời gian sử dụng, nhiều chai có thể được kết nối thông qua manifold hoặc bố trí thành cụm phù hợp.

Giải pháp này giúp:

• Tăng lượng khí dự trữ.

• Hạn chế thay chai thường xuyên.

• Cấp khí ổn định hơn.

Helium lỏng

Helium lỏng chủ yếu phục vụ cryogenic và cần:

• Bình chứa chuyên dụng.

• Thiết bị cách nhiệt.

• Quy trình transfer thích hợp.

• Kiểm soát boil-off.

• Các biện pháp an toàn nhiệt độ thấp.

Hệ thống đường ống

Nhà máy có nhiều điểm sử dụng có thể cần hệ thống đường ống trung tâm để phân phối khí từ nguồn cấp đến từng thiết bị.

Lựa chọn vật liệu đường ống, fitting, regulator và phương pháp kiểm tra leak đặc biệt quan trọng với helium do khí dễ thoát qua những khe hở nhỏ.

Lưu ý an toàn khi sử dụng helium trong nhà máy

Helium không cháy và có tính trơ hóa học cao nhưng vẫn có thể gây nguy hiểm nếu vận hành sai.

Các lưu ý chính gồm:

• Duy trì thông gió tại khu vực sử dụng.

• Không hít helium.

• Cố định chai khí chắc chắn.

• Bảo vệ van khi vận chuyển.

• Chọn regulator đúng loại và đúng áp suất.

• Kiểm tra fitting, hose và đường ống.

• Không tự ý sửa van chai.

• Kiểm soát leak, đặc biệt ở hệ thống sử dụng He liên tục.

• Đào tạo người vận hành.

Helium có thể thay thế oxygen trong không khí. Nếu rò rỉ với lượng lớn trong không gian kín, nồng độ O₂ có thể giảm và tạo nguy cơ thiếu oxy dù bản thân He không phải khí độc theo cơ chế hóa học.

Với helium lỏng, nhiệt độ cực thấp còn tạo nguy cơ bỏng lạnh. Khi chuyển từ trạng thái lỏng sang khí, thể tích helium tăng mạnh nên hệ cryogenic phải có giải pháp relief và thông gió phù hợp.

Trong semiconductor hoặc phòng phân tích, vấn đề an toàn còn đi kèm yêu cầu chống contamination. Regulator hoặc đường ống không phù hợp có thể đưa tạp chất vào khí và ảnh hưởng quá trình.

Tomoe Vietnam cung cấp giải pháp khí cho ứng dụng công nghiệp

Tomoe Vietnam hoạt động trong lĩnh vực khí công nghiệp, khí đặc biệt, trang thiết bị và hệ thống cung cấp khí. Doanh nghiệp hiện cung cấp van điều áp Yamato, đồng thời thực hiện lắp đặt bồn, đường ống và hệ thống cấp khí cho nhu cầu sản xuất. (tomoevietnam.com)

Website Tomoe cũng đề cập helium như một khí hiếm có các ứng dụng kỹ thuật như hàn và nghiên cứu khoa học. (tomoevietnam.com)

Khi doanh nghiệp cần helium cho hàn, leak test, điện tử, phân tích hoặc một quy trình công nghiệp khác, việc lựa chọn nên bắt đầu từ các thông số như độ tinh khiết, giới hạn tạp chất, lưu lượng, áp suất và hình thức cấp. Với hệ thống nhiều điểm sử dụng, đường ống và regulator cũng cần được lựa chọn đồng bộ để duy trì chất lượng khí và hạn chế thất thoát.

Kết luận

Ứng dụng khí heli trong công nghiệp tập trung nhiều ở bán dẫn, điện tử, hàn, kiểm tra rò rỉ, xử lý nhiệt, sản xuất sợi quang, cryogenic, hàng không vũ trụ và thiết bị phân tích. Giá trị của helium đến từ sự kết hợp giữa tính trơ, khả năng truyền nhiệt, nhiệt độ sôi cực thấp và đặc tính phù hợp với leak detection. Tuy nhiên, He không phải lựa chọn kinh tế nhất cho mọi quy trình; doanh nghiệp nên xác định đúng grade, lưu lượng và hệ thống cấp khí theo yêu cầu thực tế, với Tomoe Vietnam là đơn vị có thể hỗ trợ các giải pháp khí và hệ thống cấp phù hợp.