CN100380083C - 交换装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种由熔接在热塑材料中的热塑中空管组成的交换装置。在优选的实施方案中，中空管通过编结把管变成索进行成形，然后将索进行热退火处理来固定褶的顶峰和弯曲处。交换装置中的索提高了中空管的流体流量分配。交换装置是化学惰性的，可用于交叉流动过滤，也可用于苛刻的化学环境下热和物质的传递。

Description

交换装置
相关申请
本申请要求2001年10月1日提交的标题为流体交换装置的临时申请第60/326,234号的利益。本申请涉及一个与本申请同时提交的正在联合审理中的申请，该申请是2001年10月1日提交的美国专利第60/326,357号，申请人参考号为200100293(原为MYKP-621)。
技术领域
本发明涉及一种用于热传递、颗粒过滤和传质用途的中空管或中空纤维膜交换装置。该装置包括一个含有熔合接合的中空管的管套，先将中空管编结，然后经热退火来固定皱褶。该装置含有高填充密度的中空管，通过编结的中空管提高了流体流量分配。该装置不需要折流板就能在一个小的体积提供很高的接触面积。该装置由化学惰性的热塑性材料制成，并且可使用有机液体以及腐蚀性和氧化性液体在高温下工作。
背景
中空纤维和薄壁的中空管通常用于传质、热交换和交叉流粒子过滤装置。这些应用中，中空管或纤维提供了高的表面/体积比，这样热和物质在小的体积上比相同结构的由扁平片材制成的装置有更大的传递。
中空纤维或中空管包括外径和外表面，内径和内表面以及存在于第一和第二表面之间或者管或纤维侧面的多孔或无孔材料。内径限定纤维或管的中空部分，用于传送流体之一。第一流体相流经通常称为腔的中空部分(有时称为管腔)，并保持与围绕在管或纤维四周的第二流体相的隔离，术语称作管程接触(tube side contacting)。在壳程接触中，围绕管或纤维外径和表面的第一流体相和第二流体相流经管腔。在交换装置中，填充密度与埋嵌在装置中起作用的中空纤维或中空管的数量有关。
在需要加热液体的半导体制造中的应用实例包括硫酸和过氧化氢光致刻蚀剂洗提溶液、用于氮化硅和铝金属蚀刻的热磷酸、氢氧化铵和过氧化氢SC1清洗溶液、盐酸和过氧化氢SC2清洗溶液、热的去离子水漂洗以及加热的基于光致刻蚀剂剥离剂的有机胺。
在处理所用化学品前必须冷却在浴中使用后的加热液体，特别是光致刻蚀剂洗提溶液、磷酸、SC1和SC2清洗液。电化学电镀浴和电镀装置有时需保持在低温下。
在一个晶片处理轨道装置上，在分配到晶片上之前，精确和可重复调节液体的温度如在电介质、光抗蚀剂、抗反射涂层以及展开剂上旋转(spin)都需要加热或冷却这些液体。
热交换器是由一种流体、处理流体以及第二种工作流体传递热量的装置。基于聚合物的热交换器由于它们的化学惰性和抗腐蚀性而用于这些用途中化学物的加热和冷却。然而，聚合物热交换装置通常很大，这是因为装置中所使用的聚合物的热传导率低，这样就必须有一个大的热交换表面面积来实现指定的温度变化。管的编结是用来防止在开放容器的热交换使用中管的间隔不均匀。这样的装置中占有有价值的空间，要求化学物或交换流体的滞留体积要大，这样做成本很昂贵。这样的装置还要求O型环密封，这很难做到，并且这也是离子和颗粒污染的来源。
石英加热器也用于半导体加工中液体的加热。石英易于破损，无阻碍地暴露加热的表面会引起着火并且有爆炸的危险，特别是对于有机液体和含有易燃气体的液体。
在半导体制造中气体/液体接触器或交换器是通过中空纤维管把气体从液体中除去或加入到液体中。商业上使用的气体/液体接触器利用隔板来提高流体间物质的传递。接触膜系统的典型应用是从流体中除去溶解的气体即“脱气”，或者往液体里加入气态的物质。例如，湿工作台(wet bench)就是晶片处理装置，其中将臭氧气体加入到非常纯的水中，以便与半导体晶片接触，从而进行纯化和氧化物生长。
在半导体制造中利用交叉流过滤来除去悬浮的固体，例如化学机械抛光浆料中的研磨颗粒。化学机械抛光浆料流中除了包含固体浆料材料外，还有与酸和碱如盐酸或氢氧化铵结合的过氧化氢氧化剂。半导体的制造中，化学机械抛光工具就是晶片处理装置的实例。
为了使用由中空管或多孔的中空纤维制成的接触器实现交叉流动过滤、质量传递或者热传递，通常利用折流来促进管状部件间的流动。文献中详细叙述了有关用于提高向中空管传递热和材料的折流的各种设计。美国专利5,352,361公开了用于中空纤维的气体/液体接触器的折流设计技术。这种折流板对聚乙烯类中空管是有益的，因为罐装和旋转层压折流板的方法在这里很容易实现。全氟化管的折流就不能使用这种工艺。美国专利4,749,031中介绍了使用全氟化折流板的折流，个别中空管通过全氟化折流板。这是很麻烦的，并且利用这种工艺制造交换接触器是很昂贵的。美国专利4,360,059描述了一种铸造材料如铝制成的螺旋形热交换器。这种方法既不考虑使用热塑性塑料，也不考虑低热传导热塑材料所必需的充分的高表面积。
美国专利3,315,740公开了一种通过熔化把管接合到一起来用于热交换器中的方法。热塑材料管以末端部分平行的方式聚集到一起。聚集管的末端部分放到一个套管里，套管具有热塑性的内表面，并且相对管而言是刚性的。将流体加热，温度至少达到热塑材料的软化点，然后将流体引入管末端部分的内部。利用压差穿过管壁，使得管内部的压力高于管外表面的压力，从而引起管的膨胀，这样邻近的管的表面就熔合在一起。这种方法使得管的中空部分的入口不规则，从而导致管流量分配的不均衡。这种方法也要求相对厚壁的管材，以提供足够的热塑性与套管形成密封。未考虑使用这样的罐装方法形成末端结构或者形成一体化终端的封端，也未考虑到在罐装前进行管的编结及使其热固定来提高流量的分配。
加拿大专利1252082介绍了制作螺旋形聚合热交换器的方法。这样的设备要求机械的固定装置把管固定在适当的位置，这样要求很大的空间体积。
美国专利4,980,060和5,066,379介绍了用于过滤的多孔中空纤维管的熔融接合罐装。该发明没有公开在相和热交换中用来制备一体化末端区的无孔热塑管熔融接合所需的条件。这个发明既没考虑中空纤维管的缠绕或编结，也没考虑在罐装前对纤维进行退火以便在罐装管上形成一种结构来提高流量的分配。
Alan Gabelman和Sun-Tak Hwang在“Journal of MembraneScience”，Vol.159，pp61-106，1999中描述了在中空纤维接触器中用来得到更好的质量传递的均匀纤维间隔的重要性。作者认为手工制作模件具有更均匀的纤维间隔，而这种模件的成本并不意味着它们的制作成本就高。同样的论点也可用于中空管热交换和交叉流动装置。
美国专利5,224,522描述了一种制作用于交换装置如血液充氧器和热交换器中的织物中空纤维带的方法和装置。这种设计方法需要一种昂贵的、复杂的编结设备用来在管簇(tube mat)中以优选的关系固定纤维。
通常对于大的热量载荷、壳程液体流或高效的壳程交叉流动过滤来说，使用热塑材料的热交换器是不实际的，这是因为费用高并且装置尺寸大。在半导体的制造中，金属的热交换器是不可以使用的，这是因为化学品的腐蚀性以及必须从处理的液体中去除金属的和颗粒的杂质。这就需要一种可用于热交换、传质或交叉流动过滤的热塑性装置，其具有高的表面积、均匀的纤维间隔以及最小的体积。这个装置应该是不使用折流板的。
发明内容
本发明提供了一种具有高的表面面积的装置，其可用于传质、热交换或交叉流颗粒过滤。本装置由热塑材料制成，并且包含中空的热塑性纤维或中空管，通过熔接在热塑性树脂中来形成一体化的末端区(terminal block)。任选地，包含一体化末端区的装置熔接在热塑管套中，管套上带有流体的入口连通和出口连通，使得要接触的处理流体和工作流体穿过中空纤维或中空管。提供并描述了一种制造装置的方法。还提供并描述了一种使用该装置的方法。
在一个实施方案中，装置的中空管是在熔接于热塑树脂中形成一体化的末端区之前，先通过编结、编结或缠绕在一起成为管索或纤维索。这种管索提高了经由装置的流体流量分配，而不需要折流。利用此发明可以实现中空管或管索的高填充密度。
在另一个实施方案中，在熔接过程之前，包含中空管或纤维的管索在炉子中退火使得中空管或纤维的编结、折褶或缠绕的形状适当位置上得以固定。可选地，中空管或管索围绕一个棒条、另外一个中空管或一个模板缠绕，并利用模板通过热退火固定中空管或索的形状。编结或缠绕的管索能够卷在齿条上，通过热退火处理来固定管索的皱褶、表面形状和长度。把编结或缠绕的管索从齿条上移开，成为一捆连续的管索，然后熔接到热塑树脂中形成一体化的末端封端。在可选实施方案中，经退火的管索能够被解开形成单独的非环状的中空管或纤维。这些单独的中空管可以作为一束管被熔接到热塑树脂中。任选地，一体化末端封端处的经退火的管索或者单独的非环状中空管或纤维熔融接合到热塑管套中，该热塑管套带有用于装置交换处理流体和工作流体的流体入口连通和流体出口连通。
附图说明
图1(A-D)是说明缠绕和编结的中空管实例的示意图。
图2A是含有熔在热塑性树脂中的非环状中空管的交换装置的截面示意图。
图2B是含有熔在热塑性树脂中的非环状中空管的、带有流体入口和出口连通的交换装置的截面示意图。
图2C是含有熔在热塑性树脂中的非环状中空管的、带有流体入口和出口连通以及具有流体连通的管套的交换装置的截面示意图。
图3是含有熔在热塑性树脂中的缠绕中空管的、带有流体入口和出口连通以及具有流体连通的管套的交换装置的截面示意图。
图4是带有熔在热塑性树脂中的编结中空管的、带有流体入口和出口连通以及有流体连通的管套的交换装置的截面示意图。
图5是带有熔在热塑性树脂中的编结中空管的、带有流体入口和出口连通以及具有流体连通的管套的交换装置的侧视图的示意图。
图6的表格详细说明了实施例2和实施例3中所描述的热交换器的性能。
图7是利用本发明的方法熔接到热塑性树脂中的中空管末端的显微照相相片。
图8的表格详细说明了实施例6中所描述的20个管的热交换器的性能。
图9的表格详细说明了实施例7中所描述的680个管的热交换器的性能。
具体实施方式
本发明涉及一种装置，用于热和质量传递操作，也可用于其它相分离的应用。本发明也描述了一种用于制造一体化终端封端的含有编结或缠绕的热塑性中空管或中空纤维的熔接交换装置的方法。本发明实际中，一种索是指一个或多个的纤维和/或管，这些纤维和/或管缠绕在一起、折褶或编结形成一个利用本发明的方法能够罐装或熔融到热塑树脂井中的单元。熔融接合是利用热塑性聚合物来完成的。当本发明根据无孔聚(四氟乙烯共全氟甲基乙烯基醚)中空管描述时，应理解本发明还可以使用后面通常称为中空管的多种热塑管和/或多孔的纤维膜。此外，当本发明根据成对缠绕的聚(四氟乙烯共全氟甲基乙烯基醚)中空管描述时，应理解本发明还可以使用多种数量的中空管或中空纤维，这些缠绕的、纺织的、折褶的或编结的中空管或中空纤维形成了后面所提到的索。最后，当本发明描述关于热交换装置时，利用多孔的中空管或中空纤维制成的类似的装置也可用于质量传递和交叉流过滤应用。
为了本发明目的，把一个单一的、展开的、经退火的管作为非环状管。非环状管是外部尺寸在从管的一个末端部分移到管的另一个末端部分的纵轴方向上成不连续圆周的管。实例包括但不限于螺旋状的卷；永久缠绕的中空环形管，例如在这种条件下挤压成的单一的、展开的、经退火处理的纤维或管；三角形的管或纤维；长方形的管或纤维；或正方形的管或纤维。
中空管或者纤维的编结、折褶、缠绕或非环状的几何形状提高了穿过中空管或中空管内的流量分配。装置不需要折流板就能够在小的体积上提供高的流体接触面积。装置中用化学惰性材料对单一的或一体化的终端进行封端的构造消除了使用O形环的需要，并且使得装置能够在高温下对多种流体进行处理。
两个或多个的中空管能够手工或利用商业上可用到的缠绕和编结设备来折褶、缠绕或编结成管索。本发明中大多数的中空管能够编结在一起形成中空管簇，为专利公开和附加的权利要求起见，术语簇(mat)和索(cord)可以相互交换使用。管索上每英尺缠绕管的数量用距离λ1表示，如图1A所示。图1A表示两个管缠绕在一起，实际上任何数量的管都可以缠绕在一起形成管索。图1A中参数λ1是指与中空管12缠绕在一起的中空管10从峰到峰或弯曲部到弯曲部的距离。小一点的λ参数值，如图1B中λ2说明了中空管14和16之间更大程度的缠绕或弯曲。两个以上的中空管也可以编结在一起形成管索。图1C是单独的管18、管20和管22编结成的中空管的示意图，管索的紧密程度用参数λ3表示。图1D中的单独中空管24、26和28的编结程度更紧密，因此参数λ4相应的要比λ3小。λ的值可以在每英尺1到每英尺50范围内，优选范围是每英尺有5-25个峰或弯曲。编结或缠绕成管索的中空管的数量可以从2到100，更优选2-10个真空管。
本发明将参考图2A进行更详细的说明。如图2A所示，每个单独的热塑性非环状管36、38和40的末端部分以流体密封的方式与热塑性树脂熔接，形成两个单一的末端或一体化的末端封端结构32和34。任何数量的热塑性中空管都能熔接在热塑性树脂中。图2B为交换装置截面的示意图，该交换装置还包括流体连通端口40和42，流体连通端口40和42接合到带有末端罩44和46的一体化末端区34和32上。末端罩和流体连接器允许来自流体源的第一流体流经管36、38和40(图中未画出)。本发明典型中空管或中空纤维38两侧的进一步特征在于表面37和表面39。图2C为交换装置截面的示意图，该交换装置还包括接合到一体化末端区32和34上的管套52，并且含有一个或多个的流体接触器端口48和50。
图3所示为带有由缠绕的中空管形成的管索的交换装置的实施方案。示意图中管索由中空管54和56、58和60以及62和64组成。每个管索的末端部分用热塑性树脂以流体密封的方式熔接形成一体化终端的封端32和34。装置可具有任选的管套52和末端罩44、46接合至一体化终端的封端。图3中至少一个流体流量分配器66可以任选加压安装、螺旋式安装或接合到一个或多个的管套的流体连通端口48和50。
图4为进一步包括由编结的中空管形成的管索的交换装置的实施方案。示意图中的管索包括三个或多个的中空管，它们编结在一起形成管索70和72。每个管索的末端用热塑性树脂以流体密封的方式熔接形成一体化末端区32和34。装置可具有任选的管套52和末端罩44、46，它们接合成一体化末端区。图4中至少一种流体流量分配器66，分配器可任选加压安装、螺旋式安装或接合到一个或多个管套的流体连通端口48和50上。图5是图4中所示交换装置的端视图。
参照图3，以下将描述一种作为热交换器的本发实施方案的操作。第一流体通过流体连通端口42进入交换装置，然后在一体化末端区32的开口61处进入中空管。流体流经中空管的内部或腔，通过一体化末端区34上的出口63流出中空管。第一流体通过流体连通端口40流出交换装置。第二流体通过管套的流体端口48和任选的流量分配器66进入交换装置。第一流体通过中空管的两个表面和管壁与第二流体分隔。第二流体通过连通端口48进入套管并充分地注满管套内壁和纤维外径之间的空间。第一和第二流体的能量通过热塑的中空管壁传递。第二流体通过流体连通端口50流出套管。流体的实例包括液体、液体的蒸气、气体和超临界流体。
制造商利用各种材料制造膜，其中最常用的是合成聚合物。合成聚合物中最重要的是热塑性聚合物，它在加热时可以流动并且可以模制，冷却后又恢复它原来的固体特性。由于管或膜的应用条件越来越严格，因此能用的材料也变得有限。例如，微电子工业中用于晶片涂层的基于有机溶剂的溶液会溶解或溶胀并且削弱一些聚合物的管和膜。同样工业中使用的高温解吸浴由高酸性和氧化性化合物组成，它们会破坏由普通聚合物制造的膜和管。
本发明中所用的由热塑材料制造的中空管，外径范围可以在0.007～0.5英寸，优选直径在0.025～0.1英寸；壁厚范围在0.001～0.1英寸，优选厚度在0.003～0.05英寸。管可以单独使用或者可以通过编结、折褶或缠绕结合形成含有多个中空管的管索使用。
本发明中实际使用的全氟化的热塑材料或它们混合物的实例包括但不限于：聚四氟乙烯-共-全氟甲基乙烯基醚(MFA)、聚四氟乙烯-共-全氟丙基乙烯基醚(PFA)、聚四氟乙烯-共-六氟丙烯(FEP)和聚偏1，1-二氟乙烯(PVDF)。PFA Teflon和FEP Teflon热塑材料由DuPont，Wilmington，DE生产。NeoflonPFA是由Daikin Industries购得的聚合物。MFA Haflon是由Ausimont USA Inc.Thorofare，NJ购得的聚合物。预成型的MFA Haflon和FEP Teflon管由ZeusIndustrial Products Inc.Orangebury，SC购得。本发明中实际使用的其他热塑材料或它们的混合物包括但不限于：聚三氟氯乙烯-1，1-二氟乙烯，聚氯乙烯，诸如聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯的聚烯烃，超高分子量的聚乙烯，聚酰胺，聚砜，聚醚醚酮和聚碳酸酯。
中空的热塑管可以用热传导粉或纤维浸渍，来提高它们的热传导率。可用的热传导材料的实例包括但不局限于：玻璃纤维、金属氮化物纤维、硅、金属碳化物纤维或石墨。本发明中使用的中空热塑管或浸渍的热塑中空管的热传导率提高了约0.05瓦/米开。
本发明中实际使用的中空管包括中空纤维膜，可以用于粒子过滤和质量传递用途，如气体接触、液体脱气和全蒸发。适合的膜包括由聚四氟乙烯-共-全氟丙基乙烯基醚(PFA)或超高分子量的聚乙烯制成的中空纤维，二者都可以从Mykrolis Corporation，Billerica，MA购得。
在优选的实施方案中，缠绕、折褶或编结的管形成连续的管索。正如专利WO 00/44479中所描述的，管索能够围绕一个矩形金属框架缠绕，平行的侧面之间的距离限定了交换装置的长度。把金属框架上盘绕的索放到炉中，炉温低于中空管的熔点。管在低于它们熔点的温度下热退火，然后冷却使编结的、折褶的或缠绕的管的顶峰或弯曲部分固定在管索中。管索的退火是在低于熔点的温度下进行的，通常是低于250℃，更优选100～200℃，退火时间在15～60分钟，更优选30分钟。在可选实施方案中，缠绕的、折褶的或编结的管在卷轴上退火。
在另一实施方案中，第一步先将编结的或缠绕的管进行热退火处理，然后在冷却后将单独的管彼此分离形成自我支撑的螺旋状形状或非环状形状的单个管。热退火处理可使中空管的顶峰和弯曲处固定，使得单独的中空管或索不需弄直就能进行分离和处理。
在本发明的一个实施方案中，经热退火并固定的中空管的索可以按美国专利3,315,750号中介绍的方法连接，该专利在本文中整体作为参考。索也可以通过按欧洲申请专利0559149A1所介绍的注射成型的方法彼此连接或接到管套上，本文中将其整体作为参考。在优选实施方案中，1999年1月29日提出申请的美国专利申请60/117,853和WO 00/44479中介绍的方法在本发明的实际应用中是有用的，本文中将其整体引入作为参考。
本发明的实践中的术语一体化末端区或单一的末端结构意味着描述一种物质或热塑性树脂井，一个或多个中空管或索接合或熔接进入其中。图7所示是中空管熔接到热塑性树脂中形成一体化末端区结构和中空管没有熔接到热塑性树脂中的实例。美国专利申请60/117,853中公开了一种接合到热塑性树脂中的中空纤维。任选地，带有流体连通端口的热塑性末端罩或热塑性的管套可以熔接入一个或多个一体化末端区中。为了说明本发明，描述了一个包括中空管、热塑性树脂和热塑性管套的一体化末端区。在罐装及接合步骤之前首先对管套的两个末端的表面进行预处理，制备用于形成仅由全氟化热塑性材料组成的单一实体的管套。一个一体化末端区结构是指把编结的或缠绕的管和罐接合到管套上形成只由全氟化的热塑性材料组成的单一实体，在罐装及接合步骤之前先对管套的两个末端的表面进行预处理。这是通过把罐体材料熔接到管套上完成的。管套两个末端的内表面加热到接近它们的熔点或正好在它们的熔点，然后立即浸入含有由Ausimont USA Inc.Thorofare，NJ公司生产的粉状聚四氟乙烯-共-全氟甲基乙烯基醚的热塑性罐装树脂的容器中。由于管套的表面温度高于罐装树脂的熔点，使得罐装树脂熔化到热塑性管套中。将管套取出，用热气枪抛光，熔掉那些过量的未融化的热塑性粉末。优选用这种预处理方法对管的每个末端进行至少两次的处理。
把经退火的缠绕的中空管索嵌入到聚四氟乙烯-共-全氟烷基乙烯基醚、Teflon PFA或MFA的壳管中。任选把流体接头(fluidfittings)熔接到壳管的表面形成入口端口和出口端口。壳管中管索的填充密度按体积计算在3～99％的范围内，更优选20～60％。
把管索罐装或粘接至管套中可在一个步骤内完成。优选的热塑性树脂罐装材料是由Ausimont USA Inc.Thorofare，NJ购得的Hyflon MFA 940AX树脂。该方法包括将一束经退火处理过的并缠绕的中空管索的一部分垂直放进一个临时的由容器中熔化的热塑性聚合物上的坑造成的凹陷处，长度至少要把末端封闭。中空管被放置在一个限定的垂直位置，保持热塑性聚合物在熔化的状态，这样可以流进围绕中空管和垂直向上纤维的临时凹陷处，充分地填满纤维和热塑树脂之间的缝隙空间。临时的凹陷处是指这个凹陷在熔化的罐装材料保持凹陷的时间足够把中空管定位和固定在适当的位置，然后再被熔化的热塑材料填满。凹陷的临时性可通过罐装材料保持的温度、中空管束放置过程中罐装材料保持的温度以及罐装材料的物理特性来控制。中空管的末端可以用铅封、塞子塞住或在优选实施方案中使管形成环的形式来封闭。
当装置的第一个末端被罐装并熔到包含中空管、管套和热塑树脂的一体化末端区中后，再罐装装置的第二个末端。该过程包括在有外部加热块或其他热源的加热容器中加热罐装树脂，加热温度范围在265～285℃，优选270～280℃，直到熔体变得透明并且没有残余的气泡。把棒插到熔体中形成凹陷或洞。然后将管套和中空管束插到这个洞中。值得注意的是在这个位置上中空管束及管套都不接触罐装树脂。随着时间的流逝，熔化的树脂由于重力作用填充空隙来罐装中空管，同时接合到管套上。罐装的末端冷却后，把它们切开，露出中空管的内腔。然后将罐装的表面用热气枪进行进一步的抛光处理，熔掉弄脏的或粗糙的罐装表面。对于含有很多中空管的模件，例如2000个或者更多，很有可能存在灌注缺陷，可以用干净的烙铁熔化和闭合破坏的区域来修复。
本发明的另一个实施方案是用于罐装由中空管组成的螺旋状的索。在第一步中，缠绕或编结的中空管的每个末端在金属模具中灌注。模具稍小于壳管的内径，由铝或镍或类似的合金制成。灌注及冷却后，移去模具。一体化末端区内中空管的末端按上述方法切开。中空管的两个末端灌注后，把形成的一体化末端区结构体插入到预处理过的MFA或PFA壳套管或末端罩中，进行短时间的加热，使一体化末端区熔到壳套管或末端罩上。
在图3所示的本发明优选实施方案中，至少一个热塑管66插到至少一个位于交换装置壳侧面上的流体接头48上。优选把管放到离接头最近的管束的一部分中交换效果要更好一些。管可以通过加热接合到管套上或加压固定在壳装置中。管可以提高装置中流体的流量分配。
用于连通本发明装置和工作及处理流体源的流体接头包括但不局限于：Flaretek、Pillar、Swagelock、VCO、标准的管线接头或倒钩接头。在优选的实施方案中，处理流体时提供两个流体连通；一个入口连通使流体流入装置，一个出口连通使流体流出装置。处理的流体会流经管或穿过管的外部。用于处理流体的入口和出口连通可以通过焊接、螺纹、法兰或熔接到热塑材料上的方法接合到一体化末端区上。如果交换装置含有管套，流体的入口连通可以通过焊接、螺纹、法兰粘到管套和/或一体化末端区上。在优选实施方案中，连通熔接到管套和/或一体化末端区上。为了使工作流体流经管套或使过滤的流体流出管套，可以提供一个或多个流体连通。使工作流体或过滤流体流经管套的一个或多个的流体连通可以通过焊接、螺纹粘到管套上或通过法兰接到管套上。在优选实施方案中，连通熔接到管套上。
一般程序
内径0.047英寸，壁厚0.006英寸的预制MFA中空管，由ZeusIndustrial Products Inc.Orangebury，SC公司提供。灌注用的管索是手工制造的，通过把成双的MFA中空管缠绕得到约12个匝数/英尺的索。单一的索围绕一个8英寸宽、18～27英寸长的金属架缠绕；可以允许在金属架上缠绕约75圈的索。架和缠绕的索在温度为150℃的炉中退火30分钟。退火后从架上能够得到约75卷每个长度为18～27英寸的索。把单个架或多个架上得到的索集中起来放进16～25英寸长、先前经过热处理及涂有MFA涂层的PFA管中。管的内径为1～2.25英寸，把1/4″的FlareTek流体接头接合到距离PFA管的每个末端约2英寸的地方。装置的每个末端用由Ausimont USA Inc.Thorofare，NJ公司生产的Hyflon MFA 940AX树脂灌封，在275℃下约40小时完成。40小时后，灌注体的每个末端控制0.2℃/分钟的速率冷却到150℃。树脂的一体化末端区变得透明，用车床或刀对罐装装置的末端部分进行加工切开中空管。用于罐装交换器的流体接头是通过在管的每个末端刻上螺纹或在管上加热熔接一个末端帽制成。
实施例1
按程序1制得了一个带有管套的内径为1英寸的PFA管热交换器原型，只是管没有经过缠绕或退火处理。这个装置含有150个长度为15英寸、直的MFA管。
这个原型按下面条件测试。63℃的热水以每分钟约1750毫升的流速流入装置的管程。19℃的冷水以每分钟约1070毫升的流速流入装置的壳程。热水和冷水的流动方向彼此是逆向的。对管程和壳程里的流体每五分钟记录一次入口及出口的温度和流速，一小时后结束。详细的实验结果列于表1，如图6中所示。在这样的条件下，冷水从18.9℃加热到38.8℃，两个流体之间共有1486W的能量交换。
实施例2
按程序1制得了一个带有管套的内径为1英寸的PFA管的热交换装置原型，它包括约150个MFA中空管，中空管缠绕在一起，每英尺约缠绕12个。在金属架上缠绕的约75个、长度约为15英寸的索经退火处理。
这个原型按下面条件测试。55℃的热水以每分钟约1650毫升的流速流入装置的管程。19℃的冷水以每分钟约1070毫升的流速流入装置的壳程。热水和冷水的流动方向彼此是逆向的。对管程和壳程里的流体每五分钟记录一次入口及出口的温度和流速，一小时后结束。详细的实验结果列于表1，如图6中所示。在这样的条件下，冷水从18.9℃加热到44.0℃，两个流体之间共有1874W的能量交换。
实施例3
这个实施例预期说明包括本发明交换装置的晶片处理工具可怎样用于加热用于清洗半导体晶片的液体。
一个含有约650个、325对缠绕的中空MFA管的交换装置，可利用程序1的方法加热退火并熔接在一个内径为2英寸的PFA管中。装置的长度约18英寸，液体体积约为300毫升。这个装置是晶片处理工具的一部分，它以流体连通入口成直线与一个含有约1体积％过氧化氢的10％盐酸水溶液的流体源相连通。交换装置的出口与阀和用于分配酸的水溶液至待清洗基片上的喷嘴相连，所述阀任选为截止倒吸阀。交换装置壳程上的一个流体入口连通与一个热水源成直线相连。半导体生产厂中得到的热的去离子水通常温度约为75℃。流经交换器壳程的热水加热了交换装置管中所含的酸溶液。在没有流体流动的可变时间之后，打开交换装置出口的阀，加热的酸的水溶液和氧化剂流到晶片上，用以清洗晶片。阀门关上，液体酸和氧化剂流进交换装置的中空管，在中空管里为下一次的流出而加热。
实施例4
这个实施例预期说明怎样使用经热退火处理、折褶、多孔的PFA中空管制造用于交叉流动过滤的交换装置。
按程序1制得了一个带有管套的内径为1英寸的PFA管过滤装置原型，只是以约150个由Mykrolis Corporation，Billerica，MA公司生产的外径为550微米的中空多孔PFA纤维替代无孔的中空MFA管。中空纤维每一股可以折成3个褶，并且可以在15英寸长的架上编结。将折褶和编结的中空纤维在约150℃下进行热退火处理，使中空纤维的褶和长度得以固定。按照专利WO 0044479中公开的方法将热退火处理过和编结的中空纤维装配入一个装置中。
这个装置的管套包含用于含有不溶的悬浮物质如胶体、凝胶或硬颗粒的流流的入口端口连通和出口端口连通。含悬浮固体颗粒的流体的实例包括化学机械抛光淤浆中的氧化铝，流体中胶体的实例包括二氧化硅。含有不溶的悬浮物质的流体流经多孔中空纤维管的内部。管套上有一个单独的流体流动端口连通，用于过滤后的液体流出管套。含有悬浮固体的液体的一部分流经折褶的多孔中空管，一些固体就被多孔的膜保留住，过滤液体的一部分流过膜，并且从管套上的流体端口流出。
实施例5
这个实施例预期说明使用经热退火处理、编结、多孔的中空PFA管制造的交换装置怎样用于气体到液体的质量传递。
按程序1制得了一个带有管套的1英寸直径的PFA管过滤装置原型，只是以约150个由Mykrolis Corporation，Billerica，MA公司生产的外径为550微米的中空多孔PFA纤维替代150个中空MFA管。中空纤维每一股可以折成3个褶，并且可以在15英寸长的架上编结。将折褶和编结的中空纤维在约150℃下进行热退火处理，使中空纤维的褶和长度得以固定。按照专利WO 0044479中公开的方法将热退火处理过和编结的中空纤维装配入一个装置中。
这个装置的管套包含用于去离子水流经多孔的中空纤维管内部的入口端口连通和出口端口连通。管套的两个端口中的一个可用于与由臭氧发生器如Astex，Woburn，MA公司生产的Astex 8400臭氧发生器产生的臭氧气体源连通。臭氧气体通过渗入多孔、编结的中空PFA管溶解在水中。过量的臭氧气体由管套的第二个端口排除。由管内部排出的水含有溶解在水中的臭氧气体。这种经臭氧化的水可用于以改进的RCA清洗过程清洗晶片。
实施例6
这个实施例说明了一个本发明的热交换装置，其具有20个薄壁中空PFA管。这个装置用于加热管线内流动的水。
长度为17英寸的0.5英寸OD PFA管作为套管。套管带有入口端口和出口端口。利用PFA罐装材料将套管在每一个末端熔接到26个内径为1.05mm、壁厚为0.15mm的PFA管上。两个J型热电偶被安置在分开的流经管套上。一个热电偶与交换装置套管的入口端口连接，第二个热电偶与加热装置套管的出口端口连接。在运转过程中，水流过入口热电偶套管，进入交换装置套管，然后穿过中空管。工作或交换的流体以逆流的方式穿过一个入口的热电偶套管，进入套管的壳程，在那里流体与中空管的外壁相接触。交换或工作的流体然后穿过套管壳程上的出口端口和第二个出口热电偶套管。流经交换装置管的处理水通过第二个出口热电偶套管流出管外。流速为1000毫升/分钟、温度约为16℃的水流进装置的壳程，当水流进管时温度为55.5℃，当水流出管时被冷却到33.1℃，流速为260毫升/分钟。这个装置不同管程流速的性能如图8所示。
实施例7
这个实施例说明了本发明的一个热交换装置，其具有680个薄壁中空MFA管。这个装置用于冷却管线内流动的水。
按程序1制得了一个带有内径为2.25英寸、长度为32英寸的PFA管套的热交换装置原型，只是其包括约680个缠绕在一起的中空MFA管，每英尺约缠绕12个圈。在金属架上缠绕的索经退火处理，产生长度约为34英寸的索。管套壳程上的入口流体接头为1/2″Flaretek，它们之间相隔27英寸，距离装置的末端为2.5英寸。用于管程流动的管套流体接头为3/4″Flaretek，熔接在套管上。
装置原型按下面条件测试。70.1℃的热水以每分钟约4.4升的流速流入装置的管程。14.5℃的冷水以每分钟约6.6升的流速流入装置的壳程。热水和冷水的流动方向彼此是逆向的。用Agilent数据记录器对入口及出口的温度和流速进行记录。详细的实验结果列于图9中表。在这样的条件下，管内的热水从70.1℃冷却到22.9℃，两个流体之间共有14400W的能量交换。装置其他流速的性能如图9所示。

Claims (25)

1.一种交换装置，其包括：
全氟化的热塑性管套；
多个全氟化的热塑中空管，其具有选自索和非环状管的构型，每个中空管具有第一末端部分和第二末端部分及贯穿其间的孔洞；
所述全氟化的热塑中空管的所述第一末端部分至少在所述全氟化的热塑中空管的外周通过全氟化的热塑性树脂熔接形成第一一体化末端区，在该末端区中，所述全氟化的热塑中空管的末端部分以熔化的方式与全氟化的热塑性树脂紧密地熔接在一起；所述全氟化的热塑中空管的所述第二末端部分至少在所述全氟化的热塑中空管的外周通过全氟化的热塑性树脂熔接形成第二一体化末端区，在该末端区中，所述全氟化的热塑中空管的末端部分以熔化的方式与全氟化的热塑性树脂紧密地熔接在一起；
所述第一一体化末端区和所述第二一体化末端区具有与所述全氟化的热塑中空管的未接合部分的孔洞相连的通孔；以及
所述第一一体化末端区具有提供第一流体流入所述全氟化的热塑中空管的第一流体入口连通，并且所述第二一体化末端区具有由所述全氟化的热塑中空管除去第一流体的第一流体出口连通；
由所述全氟化的热塑性树脂熔接所述全氟化的热塑管套，形成仅由熔接的全氟化热塑性材料组成的单一实体；
所述全氟化的热塑性管套具有第一管套端口和第二管套端口，在所述第一管套端口中第二流体进入交换装置，而在所述第二管套端口中所述第二流体排出所述管套。
2.权利要求1的装置，其中所述全氟化的热塑性中空管被缠绕在一起。
3.权利要求1的装置，其中编结所述热塑性中空管。
4.权利要求1的装置，其中所述全氟化的热塑性中空管的填充密度为20-60体积％。
5.权利要求1的装置，其中所述全氟化的热塑性中空管包括选自以下组中的热塑性材料或它们的掺合物：聚四氟乙烯-共-全氟甲基乙烯基醚、聚四氟乙烯-共-全氟丙基乙烯基醚、聚四氟乙烯-共-六氟丙烯及聚偏二氟乙烯。
6.权利要求1的装置，其中所述全氟化的热塑性中空管是无孔的。
7.权利要求1的装置，其中所述全氟化的热塑性中空管用热传导材料浸渍。
8.一种制造包括多个全氟化的热塑性中空管的交换装置的方法，所述全氟化的热塑性中空管使第一流体与第二流体接触，所述方法包括：
形成包括所述多个全氟化的热塑性中空管的管束，所述全氟化的中空管具有第一末端和第二末端，并形成至少一个索；
用全氟化热塑性树脂使一个或多个所述热塑中空管束的第一末端和全氟化热塑性管套的第一末端熔接，形成第一一体化末端区；
用全氟化的热塑性树脂使一个或多个所述全氟化的热塑中空管束的第二末端与全氟化的热塑性管套的第一末端熔接形成第二一体化末端区；
打开第一和第二一体化末端区的全氟化的热塑性中空管末端，以备流体流经用全氟化的热塑性树脂熔接的全氟化的热塑性中空管；
所述一体化末端区形成仅有全氟化热塑性材料组成的单一实体。
9.权利要求8的方法，其中用全氟化的热塑性树脂熔接的全氟化的热塑性中空管的开口端具有与全氟化的热塑性中空管的未接合部分基本上相同的横截面。
10.权利要求8的方法，其还包括使所述索在低于全氟化的热塑性中空管熔点的温度下退火以固定索中管的褶。
11.权利要求8的方法，其中所述全氟化的热塑性中空管包括选自以下组中的热塑性材料或它们的掺合物：聚四氟乙烯-共-全氟甲基乙烯基醚、聚四氟乙烯-共-全氟丙基乙烯基醚、聚四氟乙烯-共-六氟丙烯及聚偏二氟乙烯。
12.权利要求8的方法，其还包括熔接至少一个流体连通端口到所述一体化末端区上。
13.权利要求8的方法，其中所述全氟化的热塑性中空管的填充密度为20-60体积％。
14.一种使用权利要求1的交换装置由第一流体向第二流体进行热传递的方法，该方法包括：
使第一流体在所述全氟化的热塑性中空管的第一管程流动；
使第二流体在所述全氟化的热塑性中空管的第二管程流动；
在所述第一和第二流体之间通过全氟化的热塑性中空管的管壁传递能量。
15.权利要求14的方法，其中所述流体为光致刻蚀剂、抗反射涂料、抗剥离剂或光致刻蚀剂展开剂。
16.权利要求14的方法，其中所述流体在电介质上是旋转的。
17.权利要求14的方法，其中所述流体是包含铜离子的流体。
18.权利要求14的方法，其中所述流体选自以下组中：酸、碱、氧化剂及它们的混合物。
19.权利要求14的方法，其中所述流体是有机液体。
20.权利要求14的方法，其中所述第二流体选自以下组中：惰性气体、水、聚乙二醇组分及蒸汽。
21.权利要求14的方法，其中所述第一流体是气体。
22.一种使用权利要求1的交换装置进行流体的流动交叉过滤的方法，其中所述全氟化的热塑性中空管是多孔的，该方法包括：
使含有不溶悬浮物质的第一流体在所述全氟化的热塑性中空多孔管的第一管程上流动；以及
通过所述全氟化的热塑性中空多孔管过滤所述第一流体的一部分，所述的全氟化的热塑性中空多孔管保留一部分不溶悬浮物质，而所述第一流体的一部分流过全氟化的中空多孔管。
23.一种使用权利要求1的交换装置进行流体间质量传递的方法，其中所述全氟化的热塑性中空管是多孔的，该方法包括：
使第一流体在所述全氟化的热塑性中空管的第一管程流动；
使第二流体在所述全氟化的热塑性中空管的第二管程流动；以及
使一部分所述第二流体溶解在所述第一流体中。
24.权利要求23的方法，其中所述第一流体为水溶液，而所述第二流体为气体。
25.一种用于与流体流动管路串联连通的交换装置，其包括：
一个装备流体接头的全氟化的热塑性管套；
位于所述管套中的管束，所述管束包含多个由热塑性树脂制造的无孔的全氟化的非环状管；
所述全氟化的非环状管沿纵向方向配置，并且具有第一末端部分和第二末端部分，在它们的外周通过全氟化的热塑性树脂与所述管套熔接形成一体化末端区，在该一体化末端区中，所述全氟化的非环状管的第一末端部分和第二末端部分用熔接的方式紧密地接合，但允许流体经由那里流动；所述全氟化的非环状管、管套以及全氟化的热塑性树脂形成全氟化的热塑性的单一实体，
所述管套具有第一流体入口端口和第一流体出口端口，第一流体入口端口提供第一流体至全氟化的非环状管的第一末端部，第一流体出口端口使第一流体流出所述的全氟化的非环状管的第二末端部，而且所述的管套具有第二流体入口端口和第二流体出口端口，第二流体入口端口提供第二流体至管套的内壁和全氟化的非环状管之间形成的体积中，并且所述管套具有第二流体出口端口用于从所述管套中除去所述第二流体。
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