CN100435912C - 具有极小死空间的可置换薄膜组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于流体处理系统的薄膜式渗滤组件，其中组件和流体处理系统之间的所有有效连接件都设置在组件的一端上。组件中的中心流动管道使所有液体从一个连接件流向另一端。用这种方式，由于流线谱使液体流过组件内的所有空间，基本上消除了死空间，并通过把所有有效连接件都设在同一端上而使安装和更换变得容易。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜渗滤技术。更确切地说，本发明涉及薄膜渗滤组件，该组件比那些用于对超高纯液体，特别是在半导体加工过程中使用的液体进行渗滤的传统组件净化程度更高和更易于使用。此外，本发明还涉及薄膜过滤组件的设计，由于其所有有效开口均设在过滤组件的一端上，所以这些组件易于和便于更换。在下文中，将交替使用术语过滤器、过滤器组件和组件。
背景技术
在半导体生产过程中，要控制粒子杂质需使用具有薄膜的超净化过滤器(即薄膜过滤器)，所述薄膜能除去亚微型粒子。众所周知，沉积在半导体晶片上的任何粒子在粒子足够大时会产生缺陷。通常，在半导体工业中，如相当于半导体最小特征尺寸的十分之一那样小的粒子会产生致命的缺陷。因此，在生产半导体芯片的每一个工艺步骤中都要使用薄膜过滤器对液体和气体进行净化。为了满足这些严格的要求，薄膜过滤器应具有以下各种所需的特征。
除了需消除特定的杂质之外，包含在组件中的液体空间不应是不可流动的或“死”空间。也就是说，组件内的空间结构必须是，当液体流过组件时，所有液体都进行非常快速的交换或振动。这就需要快速和可靠地消除那些在生产过程中不可避免进入到过滤器中的所有杂质，以及在使用过程中产生的杂质。在下文中将把满足此要求的薄膜过滤器称为“无死空间”过滤器。
此外，在更换过滤器时极其需要防止化学液滴从过滤器进入处理设备。一般情况下，总是设法避免这种液滴出现，但是在净化室环境或危险的化学环境下，这一特征是很重要的。通过使所有有效连接件(即过滤液体时使用的连接件)都位于组件顶部的可置换(自含式)过滤组件可达到这一目的。这种结构的另一个优点是容易与处理设备相连接，通过将所有连接件仅设在一端上，可以使连接操作得到明显改善。按这种方式设计的组件意在使结构更紧凑，在高成本的设备中这是一个很重要的想法。
虽然已存在很多种不同的在高纯度液体过滤中使用的过滤器，但是主要采用了两种优于其它过滤组件的设计。在一种致力于解决死空间问题的过滤器设计中，被过滤液体从过滤组件的一端流向另一端。在这种过滤器中，将输入和渗透连接件设在过滤器的两端，因此使液体从一端流到另一端。用这种方式可消除所有死空间或将其减到最小。这种流动结构称为“直列式”流动结构。目前使用的很多排出式组件都按这种方式设计。然而，虽然“直列式”流动结构具有无死空间的优点，但这种过滤器存在两个缺点，首先由于组件在两组连接件之间呈“夹心”状，所以很难将其与处理设备相连，其次，由于至少一个连接件处于组件底部，所以任何在组件中的自由液体都会在非连接状态下迅速排出。
为了简化安装到处理设备上的过程和更容易更换过滤器，将第二种过滤组件设计成使所有连接件都位于组件的同一端上。在这种组件中，输入和渗透液口在组件的顶部或“上”端向相反两侧呈水平取向。根据其形状，把这些组件称为“T”形结构。虽然能容易地把T形结构连接到流体处理系统的其它部分上，但这种结构的一个主要缺点是，通常在过滤元件底部和组件外壳之间的区域内存在死空间。死空间所导致的结果是，充溢组件所需的时间很长，而且当因时间过长而使液体品质变坏时可能会导致产生不希望的杂质。
Thomsen等人在美国专利4,654,142中描述了种用于水处理的过滤系统，其采用了分离的和可重复使用的端头部件，该部件的连接件与水处理净化滤筒上的输入和收集口以密封配合的形式连接。两个连接口都设在处理滤筒的同一端上而且彼此相互靠近。在一个实施例中，展示了一种作为吸附分离介质使用的碳和离子交换树脂滤筒，其借助中心管道改变流动方向使液体从一个口流到滤筒相对端或相反。虽然Thomsen等人没有讨论使用中心管道的原因，但是对于本领域的技术人员来说很明显，该管道可防止在水流过吸附树脂介质时产生旁路。尽管Thosen等人讨论的一些实施例中解决了吸附树脂基滤芯中的流体旁路问题，但是这些设计仍然具有在远离输入和收集口处存在低速流区的缺陷。此外，虽然这些设计对减少树脂基滤芯中的流体旁路问题是有效的，但是Thomsen等人并没有提出在超净化液体过滤中针对无死空间流动需要使用薄膜过滤组件。
而且，由于将连接件设在过滤器的同一端上，所以需要净化效果好和易于更换的薄膜过滤器，由此可避免因留在组件中的液体在更换过滤器时排出而导致不希望的泄漏。此外，还要求具有上述特性的薄膜过滤器满足形成基本上无死空间的要求。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种过滤组件，其具有很少死空间，而且易更换且在更换时产生极少甚至不产生泄漏。本发明的另一个目的是提供一种过滤组件，其综合了直列式和T形过滤器结构的优点。
本发明通过提供一种将一直列式结构和T形结构的优点相结合的薄膜过滤组件而克服了已有技术的缺陷和限制。这种结合的优点是通过使用中心管道使T形结构过滤器中的流体在内部改变方向，所述的中心管道使T形组件“头部”上的一个口的流体流向其另一端。尽管优选结构是把头部设置在组件的顶端，但是很显然也可以将其设在下部或底部位置，这些设置均未脱离本发明的构思。在下文中，将交替使用术语“上端”和“头部”来表示包含连接口的组件端部，而且将用“下部”和“底部”来表示另一端。
具体地说，本发明提供一种流体分离组件，它包括：具有第一和第二端的外壳；包含在所述外壳内以将所述外壳的内部分成第一和第二空间的分离件，所述分离件包括微孔、超滤或反向渗透薄膜以及位于所述薄膜的上游和下游的多个流体通道；位于所述第一端的至少第一、第二和第三连接件，用于将流体引入所述外壳内部和从所述外壳内部将流体排出以及将包含于所述流体中的气体从所述外壳内部排出；与所述第一连接件流体连通并在所述外壳中纵向延伸到所述第二端以便使所有流体从所述第一连接件流向所述第二端或反向流动的管道；所述第二端与所述第一空间流体连通；所述第二空间与所述第二连接件流体连通；因此，引入到其中一个连接件中的流体通过所述分离件进行处理，并且至少部分地汇集到另一连接件中。
有利的是，本发明的流体分离组件还包括使所述流体切向流过所述薄膜的装置。在一个优选实施例中，引入的输入液体进入与中心管道相连的输入口，所述中心管道使所有液体从输入口流到组件另一端并将其集中在一个空腔中，进入中心管道的液体分布在组件内并通过一组流动管流过薄膜。然后将经过滤的液体集中到出口并分配到流体处理系统的其它部分。用这种方式可使全部待过滤的液体流过组件。
有利的是，所述薄膜由聚醚砜或聚砜制成。
有利的是，所述薄膜包括用于吸附流体中所含特定成分的装置，所述薄膜带有嵌入其中的树脂粒子，或者可对所述薄膜表面的化学部分进行化学改性。
本发明还提供一种在流体分离组件中过滤液体的方法，该流体分离组件包括具有第一和第二端的外壳以及包含在所述外壳内的分离件，该方法包括：将待过滤液体引入位于所述壳体的第一端上的第一、第二或第三连接件中的一个中，该第一、第二和第三连接件分别用于将液体引入所述外壳内部、从所述外壳内部将液体排出、以及将包含于所述流体中的气体从所述外壳内部排出；所述分离件将所述外壳的内部分成第一和第二空间；所述分离件包括微孔、超滤或反向渗透薄膜以及位于所述薄膜的上游和下游以引导所有液体通过一管道从所述第一连接件流向所述第二端的多个流体通道，所述管道与所述第一连接件流体连通，并在所述外壳中纵向延伸到所述第二端；所述第二端与所述第一空间流体连通；所述第二空间与所述第二连接件流体连通；因此，引入到其中一个连接件中的输入液通过所述分离件进行处理，并且至少部分地在所述连接件的另一端处汇集。
有利的是，所述输入液通过所述第一连接件，所述渗透液通过所述第二连接件。
附图说明
图1a是表示本发明所述一端封闭型薄膜渗滤组件的剖面侧视图，其中所有开口均位于顶端，而且该组件包含作为薄膜分离元件的单端空心纤维，液体从空心纤维的外部渗入内部。
图1b是用于解释图1a所示组件中流线谱的剖面侧视图。
图2a是表示本发明所述的一端封闭型薄膜渗滤组件的剖面侧视图，其中所有开口均位于顶端，而且该组件包含作为薄膜分离元件的单端空心纤维，液体从空心纤维的内部渗入外部。
图2b是用于解释图2a所示组件中流线谱的剖面图。
图3a是表示本发明所述切向流薄膜过滤器的剖面侧视图，其所有开口均设在顶端，过滤器包括双端空心纤维，液体从空心纤维的内部渗到外部。
图3b是用于解释图3a所示组件中流线谱的剖面图。
图3c是用于解释当把图3a所示组件的输入口和回流口的位置颠倒设置时的流线谱的剖面侧视图。
图4a表示一个一端封闭的薄膜渗滤组件的剖面侧视图，其除了用打褶的薄膜作为分离件之外，其它部分均与图1a所示的实施例相同。
图4b是用于解释图4a中所示组件中流线谱的剖面侧视图。
图5表示图4a所示打褶的薄膜分离件的放大剖面图，其说明由薄膜隔离件、上游和下游构成的流管的情况。
图6表示图1a所示空心纤维薄膜分离器的放大剖面图，其说明由空心纤维腔和空心纤维之间的间隔构成的流管的情况。
具体实施方式
如下文将更详细说明的那样，本发明对用于过滤在单端封闭和切向流渗滤(TFF)模式下流动的液体的薄膜组件是很有用的。单端封闭的薄膜过滤器具有输入和渗透(过滤)两束流，所以至少需要两个开口以便组件与液体处理系统的其它部分相连。通常，当流体是液体时，还设置一个第三开口，该开口用于向组件的输入侧提供排气通道，否则，引入到输入流中的空气将聚集在薄膜的上游进而妨碍液体流动。引入到输入口的所有流体都汇集到渗透口。相反，一个TFF过滤器具有输入、渗透和回流三束流，因此需要至少三个出口。在TFF过滤器中只有一小部分输入的流体得到过滤，剩余部分汇集到与薄膜流管上游相对端上的回流口处。有时，为了将流体排出组件还设置一个附加开口；然而，这种开口在工作期间不起作用。本发明给出的有效开口的优选定向是在组件的顶部，排出口一般位于与其它开口反向的底端上。这些排出口通常不会影响组件连接的简易性。所有各种带或不带排出口的过滤器均适用于本发明。
薄膜过滤器与其它非薄膜过滤器的区别在于薄膜具有细小的孔隙尺寸分布，并且可以制成带有很小的孔隙，薄膜是整体结构，即将固体结构永久地粘合成连续的固体。相反，非薄膜过滤器是通过机械缠结成其它表面力将过滤器固定在应有位置而形成的。根据孔隙尺寸范围，将薄膜归入下面三种类型之一，孔径约在0.02-10μm范围内的微孔性薄膜或MF薄膜，孔径小到足以挡住大分子(分子重量约为1,000-10,000,000道尔顿)的超滤薄膜或UF薄膜，其孔径能够挡住小分子甚至离子(分子重量约为10-1,000道尔顿)的毫微过滤(NF)薄膜或反向渗透(RO)薄膜。可以用各种材料制造该薄膜，这些材料包括聚合物、金属、陶瓷、玻璃和碳。所有这些薄膜均适用于本发明。
如Yen等人在美国专利申请08/467,259(序列号)中公开的那样，可用薄膜作为吸附树脂的支承结构，在此引用上述专利申请的公开文本作为参考文件。这些类型的薄膜可应用于吸附的净化处理或作为组合过滤器和净化器。此外，薄膜还具有通过附着化学成分以便作为吸附介质而产生化学改性的表面。Steuck等人在美国专利4,618,533中公开了一个实例，在此引用该公开文本作为参考文件。这两种薄膜都适用于本发明。
薄膜分离元件由薄膜过滤器以及位于薄膜的上游和下游的流体通道构成。薄膜过滤器既可以是扁平薄片的形式也可以是空心纤维。带有扁平薄片薄膜的分离元件需要使用隔离件，以便形成对薄膜的支承和建立一系列流体通道把流体引到薄膜并且通过薄膜收集流体。图5表示呈折褶结构的扁平薄片状分离元件的剖面图，其包括薄膜52的上游的输入通道51和薄膜52的下游的渗透液通道53。相反，由于空心纤维是自支承的，因此不需要间隔件。图6表示为在空心纤维的腔上收集渗透液而设置的空心纤维分离件。而且，输入通道63是由空心纤维薄膜62之间的间隔形成的，而渗透液通道61则是由空心纤维的空腔构成的。为了对空心纤维进行密封并进而把薄膜的上游空间与下游空间分开，必须把空心纤维制成空心纤维束，这可以用两种方式完成。在一种方式中，使纤维的两端均开放，这样可以使空腔与纤维束的两端连通；这被称为双端空心纤维束。另一种是，使纤维的第一端开放而将第二端密封，这样就使空腔只能与纤维束的第一端连通；这称为单端空心纤维。使用上述空心纤维分离件时要根据特定的用途要求进行选择。在所有情况下，设置流体通道的目的是通过薄膜有效地将流体引入分离件以便进行进一步处理，其次是收集流体。利用这种方式，流体通道可使薄膜区中的大量杂质在阻力最小的情况下流动而且还有助于提高通过薄膜的流量。流体通道是被动的，即，它们并不改变流体的类型和成份并且使流体能在基本上无障碍的情况下流动。所有这些采用不同薄膜结构的薄膜分离件都适用于本发明。
下面将更详细地说明本发明的优选实施例。图1a表示特别适合于半导体生产例如光化学中使用的专用液体渗滤器的一个实施例的剖面侧视图。在该实例中，过滤器采用的是一端封闭模式，而且薄膜结构是空心纤维结构。过滤组件1包括端盖10，端盖上分别设有输入口、排气口和渗透液出口12，11和13。该组件还包括超高分子重量的聚乙烯空心纤维形式的薄膜件14，中心管道15和外壳16。将待过滤的液体引入与中心管道15相连的输入口12，中心管道使所有液体流向组件底部的输入腔17。流体从该空腔分散穿过组件的截面并反向向上和围绕薄膜件14流动。接着由薄膜件14过滤输入的液体，过滤液体收集到渗透液体腔19，并从腔19通向渗透液出口13。在该实施例中，所述组件包括熔接到端盖10上的可拆卸外壳16，而且薄膜件使用的是单端空心纤维束，其中液体从空心纤维薄膜的外部流向内部(或腔内)。通过首先把气泡收集到空腔18中，然后通过开口11排出气体的方法把引入输入流中的气体排出。
图1b中的箭头表示组件1中的流线谱，其清楚地表明，通过把中心管道15和输入腔17的作用相结合，已经消除了通常在薄膜件14和外壳16之间出现的死空间。输入腔17还能使沿外壳截面的流体均匀分布。
在上述实施例中，中心管道15用于引导输入液体和使它流向组件1的另一端。相反，中心管道也可以反过来用于收集来自一端的渗透液流并将其送到另一端。图2a表示该实施例的一个实例，其除了对开口的作用作了改动外，其它部分与图1a和1b所述相似，排气口通过流体与输入口连通。所有开口都位于端盖20上。待过滤的液体通过输入口21进入组件2，并经排气口23排气。液体进入空心纤维薄膜分离件24的空腔，并得到过滤，然后汇集到渗透腔27。由此，通过中心管道25把流体引到渗透液出口22。图2b上的箭头表示组件中的流线谱，其清楚地表明通过将中心管道25和渗透腔27的作用相结合已消除了通常在薄膜件24和外壳26之间出现的死空间。渗透腔27还能够均匀收集沿外壳截面流动的液体。通过首先收集空腔28中的气泡，然后通过开口23排出气体即可将引入输入流中的气体排出。
图3a和3b表示用于TFF模式中的采用空心纤维薄膜组件的另一个实施例，其特别适合于水的净化。在该实施例中，分离件是UF聚砜空心纤维薄膜件34，其由双端纤维束构成，渗过薄膜的液体从空心纤维的内部流向外部。待过滤的液体通过与中心管道35连通的中心开口32进入组件3，中心管道35使输入的液体流到组件的底端进而进入输入腔37。液体由此反向向上流动并进入空心纤维的内部，液体从纤维内部部分地透过空心纤维壁。渗透液汇集到空腔38(空心纤维束的“包壳侧”)并从空腔通过开口31排出。剩下的液流在空心纤维腔中向上流，并汇集到空心纤维束顶端的回流腔39，然后从开口33排出。在该实施例中，组件由三部分构成，即顶端盖30、底端盖36a和柱形外壳36b，这些部分彼此熔接在一起。图3b中的箭头表示组件中的流线谱，其清楚地示出为了利用空腔37使沿外壳截面的液体均匀分布而采用了所有有效连接件都处于同一端上的TFF模式。这种可能性和独特性是由本发明体现的，它使TFF系统的设计更简单而且使在对用任何方式实现TFF模式时不产生损害的情况下使TFF组件的安装变得更容易。在另一个实例中，图3c表示了一个相同的实施例，但其输入口和回流口相互颠倒。
图4a和4b表示本发明另一个实施例的侧视图。在该特定实施例中，单端封闭模式运行的可拆卸组件4包括熔接到端盖40上的外壳46，而且采用了围绕中心管道45的打褶式薄膜件44。该组件包括分别带有排气、输入和渗透连接件41、42和43的端盖40，由以打褶和围绕中心管道45的形式设置的超高分子重量的聚乙烯扁平薄片状薄膜构成的薄膜件44，和外壳46。将待过滤的液体引入与中心管道45相连的输入口42，中心管道使所有液体流向组件下端的输入腔47。液体从输入腔分散到组件的整个截面上并反向向上和围绕薄膜件44流动。然后通过薄膜件44对输入的液体进行过滤，使过滤液汇集到渗透腔49中，再从渗透腔通过渗透液开口43输出。图4b中的箭头表示组件内的流线谱，其清楚地表明通过将中心管道和输入空腔47的作用相结合已经消除了通常在薄膜件和外壳之间出现的死空间。输入腔47还使沿外壳46的截面流动的流体均匀分布。通过首先把气泡收集在空腔48中、然后通过出口41将气体排出的方式可排出引入到输入流中的气体。
上述所有实例都展示了将中心管道设置成过滤组件一部分的重要性，该中心管道使所有流体从组件的一端流向另一端。利用这种方式，即使是在组件的同一端上引入和收集液体，也能获得与使在组件中流动的液体从一端引入而汇集到另一端相同的效果，因此产生了很好的流线谱，这种流线谱消除了所存在的死空间并能使液体均匀分布或均匀汇集。
虽然上述实例解释了本发明的通用性及其基本特征，但是很显然，还有很多变型例有时优于本文所述的实例。已确定的被本发明覆盖的变型例包括：UF和RO薄膜；螺旋卷和盘状过滤件；可用任何数量的其它聚合物制造薄膜，例如聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚醚砜和聚氯亚乙烯以及不锈钢和陶瓷薄膜；带有活性吸附剂的薄膜，所述的活性吸附剂密封在薄膜的组织中或附着在薄膜表面上(例如离子交换树脂，活性碳，特殊溶质的配合体)；环氧树脂密封的过滤件；与外壳主体成直角的连接口，以及彼此可以不平行的连接口。最后，应该认识到，尽管以上是参照半导体工业的需要，以及在该工业中的一些特殊用途进行说明的，但是其它工业也具有类似需要，例如核工业、生物工程、生物和药物工业，在这些工业中安全性、密封性和过滤器的易更换性也同样是很关键的。
Claims (20)
1.一种流体分离组件，它包括：
具有第一和第二端的外壳；
包含在所述外壳内以将所述外壳的内部分成第一和第二空间的分离件，所述分离件包括微孔、超滤或反向渗透薄膜以及位于所述薄膜的上游和下游的多个流体通道；
位于所述第一端的至少第一、第二和第三连接件，用于将流体引入所述外壳内部和从所述外壳内部将流体排出以及将包含于所述流体中的气体从所述外壳内部排出；
与所述第一连接件流体连通并在所述外壳中纵向延伸到所述第二端以便使所有流体从所述第一连接件流向所述第二端或反向流动的管道；
所述第二端与所述第一空间流体连通；
所述第二空间与所述第二连接件流体连通；
因此，引入到其中一个连接件中的流体通过所述分离件进行处理，并且至少部分地汇集到另一连接件中。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，包括使所述流体切向流过所述薄膜的装置。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述薄膜是呈空心纤维形式的薄膜。
4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述薄膜是呈扁平片状形式的薄膜。
5.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述扁平片状薄膜是围绕所述管道的打褶滤芯式过滤器。
6.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述薄膜由超高分子重量的聚乙烯制成。
7.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述薄膜由聚醚砜或聚砜制成。
8.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述薄膜由聚乙烯制成。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述薄膜由超高分子重量的聚乙烯制成。
10.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述薄膜由聚乙烯制成。
11.根据权利要求10所述的组件，其特征在于，所述薄膜由超高分子重量的聚乙烯制成。
12.根据权利要求4所述的组件，其特征在于，所述薄膜由聚醚砜或聚砜制成。
13.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述多个流体通道中的每一个基本上是无障碍的。
14.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，包括一个空腔，该空腔位于所述第二端，以用于收集所述流体并使所述外壳中的流体朝着所述第一端流动。
15.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述薄膜由聚醚砜或聚砜制成。
16.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述薄膜包括用于吸附流体中所含特定成分的装置。
17.根据权利要求16所述的组件，其特征在于，所述薄膜带有嵌入其中的树脂粒子。
18.根据权利要求16所述的组件，其特征在于，对所述薄膜表面的化学部分进行化学改性。
19.一种在流体分离组件中过滤液体的方法，该流体分离组件包括具有第一和第二端的外壳以及包含在所述外壳内的分离件，该方法包括：
将待过滤液体引入位于所述壳体的第一端上的第一、第二或第三连接件中的一个中，该第一、第二和第三连接件分别用于将液体引入所述外壳内部、从所述外壳内部将液体排出、以及将包含于所述流体中的气体从所述外壳内部排出；
所述分离件将所述外壳的内部分成第一和第二空间；
所述分离件包括微孔、超滤或反向渗透薄膜以及位于所述薄膜的上游和下游以引导所有液体通过一管道从所述第一连接件流向所述第二端的多个流体通道，所述管道与所述第一连接件流体连通，并在所述外壳中纵向延伸到所述第二端；
所述第二端与所述第一空间流体连通；
所述第二空间与所述第二连接件流体连通；
因此，引入到其中一个连接件中的输入液通过所述分离件进行处理，并且至少部分地在所述连接件的另一端处汇集。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述输入液通过所述第一连接件，所述渗透液通过所述第二连接件。
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