CN107106965B - 空气清洁系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种空气清洁系统，其包括：第一反应器，其具有第一入口和第一出口，并在其中形成有通道；第一水分吸附过滤器和第一水溶性气体污染物吸附过滤器，它们设置在第一反应器内部并被设置成使得气体在沿着通道从第一入口流向第一出口时依次从它们中通过；多个第一磁控管，其设置在第一反应器的侧部，以分别对应于第一水分吸附过滤器和第一水溶性气体污染物吸附过滤器并且选择性地将微波施加至第一水分吸附过滤器和第一水溶性气体污染物吸附过滤器；换热器，其接收含有从第一水分吸附过滤器和第一水溶性气体污染物吸附过滤器解吸并从第一出口排出的水分和水溶性气体污染物的热空气，将水分冷凝成水，并且将水溶性气体污染物溶解在冷凝水中并排出。根据本发明，空气清洁系统能够将除湿工序和水溶性气体污染物去除工序联合，以简化空气清洁工序；通过引入微波和换热器而将废热回收和再循环，从而有助于节能；并被半永久地使用而不需要定期更换过滤器。

Description

空气清洁系统
技术领域
本发明涉及一种空气清洁系统，更具体地，涉及一种能够以节能方式同时去除对人体有害的水溶性气体和水分的空气清洁系统。
背景技术
通常，诸如半导体或液晶显示器(LCD)等元件在具有高洁净度的洁净室中制造。半导体和LCD的质量对制造过程中的湿度和污染物的影响敏感。因此，必须通过引入清洁室中的空气介质来防止诸如灰尘等污染物的流入，并必须将引入的空气的温度和湿度调节到最佳条件(12℃和50％)。同时，在半导体或LCD制造过程中大部分(约90％)的能量是电力，空气调节设备占电力的40％。空气调节设备所消耗的大部分电力用于运行外部空气调节单元(其用于处理引入洁净室中的外部空气)。因此，仅仅通过减少外部空气调节单元中使用的电力可以预期得到非常高的节能效果。
同时，为了调节半导体或LCD制造过程中的湿度，目前使用除湿系统。这种除湿系统使用陶瓷纸吸附转子周期性地重复吸附/脱附水分(H2O)，以保持恒定的温度和湿度。具体地，陶瓷纸吸附转子通过用温度为150℃以上的热风将吸附的H2O解吸而得以再生，因此能量效率低。因此，迫切需要开发用于提供高能效和优异的除湿性能的技术。
当在半导体或LCD制造过程中引入空气中含有的对人体有害的水溶性气体时，对生产效率有很大影响。目前，使用了采用活性炭类吸附剂以去除这种对人体有害的水溶性气体的化学过滤器系统。然而，存在如下问题：当吸附剂超过有效容量时，应更换化学过滤系统。此外，如果将从化学过滤器系统解吸的水溶性气体污染物捕集、浓缩并除去，则存在需要单独的处理过程和设备的问题，并且需要用于储存气态污染物的巨大设备。
通过这种方式，目前将利用除湿系统和化学过滤系统的双重系统应用于洁净室，这并非节能。此外，存在应该定期更换化学过滤器系统的问题。
发明内容
技术问题
因此，本发明的目的是提供一种半永久性空气清洁系统，其将除湿系统和化学过滤器系统联合，采用低能耗手段，通过回收废热来减少能量，特别地，消除了对定期更换化学过滤器系统的需求。
然而，本公开要解决的问题不限于上述问题，本领域技术人员从下面的描述中能够清楚地理解其它未提及的问题。
问题的技术方案
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种空气清洁系统，其包括：第一反应器，其具有第一入口和第一出口，并且在其中形成有通道；第一水分吸附过滤器和第一水溶性气体污染物吸附过滤器，它们设置在第一反应器内部并被设置成使得气体在沿着通道从第一入口流向第一出口时依次从它们中通过；多个第一磁控管，其设置在第一反应器的侧部，以分别对应于第一水分吸附过滤器和第一水溶性气体污染物吸附过滤器，并且选择性地将微波施加至第一水分吸附过滤器和第一水溶性气体污染物吸附过滤器；和换热器，其接收含有从第一水分吸附过滤器和第一水溶性气体污染物吸附过滤器解吸并从第一出口排出的水分和水溶性气体污染物的热空气，将水分冷凝成水，并将水溶性气体污染物溶解在冷凝水中并排出。
根据实施方式，空气清洁系统还可以包括独立于第一反应器设置的第二反应器，从而能够交替地并反复地进行吸附过程和解吸过程。
根据一个实施方式，空气清洁系统还可以包括供给管，其被设置成与第一入口和第二入口连通并且具有选择性地控制流入第一反应器和第二反应器的气体供给的阀单元。
根据一个实施方式，经过换热器的热空气可以作为吹扫气体被注入第一反应器或第二反应器中。
发明的有益效果
根据本发明，空气清洁系统能够将除湿过程和水溶性气体污染物去除过程联合，以简化空气清洁过程；通过引入微波和换热器将废热回收和再循环，从而有助于节能；并被半永久地使用而不需要定期更换过滤器。
附图说明
图1示出在根据本发明的实施方式的空气清洁系统中的反应器的结构。
图2示出在根据本发明的实施方式的空气清洁系统中的再生吸附过滤器的结构。
图3示出根据本发明的实施方式的微波热源供给模块的结构。
图4和图5示出根据本发明的实施方式的空气清洁系统的结构，其中空气清洁系统能够提供水溶性气体污染物去除功能和除湿功能两者。
图6示出根据本发明的实施方式的空气清洁系统的外观。
图7是示出由于在根据本发明的实施方式的空气清洁系统中的废热的温度变化而导致的吸附剂根据微波的反应而温度升高值的图。
具体实施方式
在下文中，将基于实施方式详细描述本发明。然而，这些实施方式仅仅是用于更详细地描述本发明的示例，而不限制本发明所要求保护的范围。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式，从而能够由本领域技术人员实现。然而，本发明可以被不同地实现，而并不限于这里描述的实施方式。在附图中，为了清楚地描述本发明，将省略与本发明的描述无关的部分，并且在整个说明书中相似的部分由相似的附图标记表示。
应当理解，在整个说明书中，当元件被称为“连接”或“联接”至另一元件时，其可以直接与另一元件连接或联接，或者其可以经由中间元件与另一元件间接地连接或联接。
应当理解，在整个说明书中，当元件被称为“在另一元件上”时，其可以直接在另一元件上或间接地在另一元件上，其间插入一个或多个中间元件。
在整个说明书中，当部分“包括”部件时，这意味着除非另有定义，否则不排除还可以包括其它部件。如在整个说明书中使用的用于表示程度的术语“大约”和/或“基本上”用于当存在与相应含义不一致的制造技术和材料的容许误差时表示数值或数值的近似值，并用于防止任何不道德的侵权者不正当地使用所公开的内容(其中给出了准确或绝对的数值以帮助理解本发明)。
应当理解，在整个说明书中，在马库什型表达中包括的术语“其组合”是指选自由在马库什型表述中描述的组成元件组成的组中的一个或多个的混合物或组合，并且是指选自由上述组成元件组成的组中的一个或多个。
如本文所使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”或其任何其它变型应被解释为包括本文所述的所有多个部件或步骤、多个部件或步骤中的一些或另外的部件或步骤。
应当理解，尽管包括诸如第一或第二的序数的术语在本文中可以用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件和另一个元件区分。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且第二元件可以被称为第一元件，而不会脱离本发明的教导。
本发明涉及能够应用于半导体制造工艺或液晶显示器(LCD)制造工艺的空气清洁系统，特别地，旨在同时清洁含有水分和水溶性气体污染物的空气。
水溶性气体污染物可以包括但不限于选自由一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、硫化氢(H2S)、硫化羰(COS)、二硫化碳(CS2)、氨(NH3)、异丙醇(IPA；C3H8O)、甲乙酮(MEK；C4H8O)、氟化物及其混合物组成的组中的一种。优选地，水溶性气体污染物的目标物为NO、NO2、SO2、IPA或MEK，其对半导体或LCD制造工艺具有影响。
为此，本发明的目的在于提出一种空气清洁系统，其被构造为在其中依次设置有水分吸附过滤器和水溶性气体污染物吸附过滤器的反应器中吸附水分和水溶性气体污染物，应用微波以使所吸附材料解吸，并使所解吸材料通过换热器，从而使水冷凝并同时将水溶性污染物溶解在冷凝水中以排出所溶解的材料。
如附图中所示，本发明的空气清洁系统包括其中布置有含有吸附剂的吸附过滤器的反应器、微波热源供给模块和换热器。
具体而言，本发明提出一种空气清洁系统，其包括：第一反应器4a，其具有第一入口11a和第一出口12a，并在其中形成有通道；第一水分吸附过滤器5a和第一水溶性气体污染物吸附过滤器6a，它们设置在第一反应器4a的内部，并且设置成使得气体在沿着通道从第一入口11a流到第一出口12a时依次从它们中通过；多个第一磁控管7a，其设置在第一反应器4a的侧部，以分别对应于第一水分吸附过滤器5a和第一水溶性气体污染物吸附过滤器6a，并且选择性地将微波施加至第一水分吸附过滤器5a和第一水溶性气体污染物吸附过滤器6a；以及换热器8，其接收含有水分和水溶性气体污染物(两者从第一水分吸附过滤器5a和第一水溶性气体污染物吸附过滤器6a脱附并由第一出口12a排出)的热空气，将水分冷凝成水，并将水溶性气体污染物溶解在冷凝水中并排出。
图1示意性地示出了本发明的反应器的结构。反应器4可以设置成圆筒形状，其具有入口11、出口12和与入口11和出口12连通的通道。圆筒的横截面可以具有任何形状，例如圆形或多边形(包括四边形)。水分吸附过滤器5和水溶性气体污染物吸附过滤器6从入口11到出口12依次布置在反应器4中。
水分吸附过滤器布置在待处理气体流过的通道的上游，并首先选择性地吸附水分，并且另外水溶性气体污染物吸附过滤器布置在下游并选择性地吸附污染气体。本发明不限于此。通过该结构，预期能够有效地吸附水分和气体污染物。
当通过反应器的入口11引入含有水溶性气体污染物和水分的湿空气1时，湿空气1沿着反应器中的通道流动。这里，在湿空气1依次流过吸附过滤器时水分和水溶性污染物被吸附。结果，通过出口12排出清洁的干燥空气10。
为了将吸附在吸附过滤器上的水分和水溶性污染物解吸以使吸附过滤器再生，使用大量的热空气。因此，必须需要恒定的热源供应。通常，已经使用了电加热器等。然而，在本发明中，微波被用作热源，从而有助于节能。
详细地说，反应器4的侧部设置有至少两个磁控管7，以分别对应于水分吸附过滤器5和水溶性气体污染物吸附过滤器6，并且通过磁控管7将微波选择性地施加至水分吸附过滤器5和水溶性气体污染物吸附过滤器6，并将吸附过滤器加热。由此，吸附到吸附过滤器的材料被解吸，以使吸附过滤器再生。可以为每个吸附过滤器设置至少一个磁控管7，因此可以沿一个方向、两个方向或多于两个方向施加微波。
如果需要，空气清洁系统还可以包括设置在反应器4内部并防止微波的干扰的阻挡板13。例如，当沿两个以上的方向施加微波时，阻挡板13安装在反应器的中间，从而垂直于微波的行进方向。由此，阻挡板13能够防止沿两个以上的方向施加的微波的干扰。此外，可以在反应器的上部、下部或侧部另外安装能够吸收未吸附到吸附过滤器并经过吸附过滤器的微波的吸收板。
图3示出微波热源供给模块的示例。微波分配器设置在从磁控管7产生的微波路径上，从而能够确保更均匀的照射。
含有水分和水溶性气体污染物(两者被从水分吸附过滤器5和水溶性气体污染物吸附过滤器6解吸并由出口排出)的热空气被供给到如图2中所示那样单独设置的换热器8。经过换热器8时，水分被冷凝成水，且水溶性污染物被排出，其中水溶性气体污染物溶解在冷凝水中。以这种方式，除湿过程和污染气体去除过程是统一的。由此，预期能够解决现有技术中的水分吸附去除工艺和水溶性气体污染物吸附去除工艺的问题，这有助于工艺简化和节能。
此外，解吸期间产生的热(约150℃)以热空气的形式由换热器接收，并且在换热器8中被冷凝的同时，水分放出废热。放出的废热被回收以加热空气并且加热的空气可以被注入到反应器中，作为用于使吸附过滤器再生的吹扫气体。吹扫气体可以用作转移废热的载气。如图7中所示，随着废热的温度升高，吸附剂的温度升高。结果，由微波引起的反应性易于增加，因此预期降低吸附过滤器的再生时间。废热回收和再生应该对节能贡献更大。空气清洁系统还可以包括与第一反应器4a具有相同结构的第二反应器4b(见图4和图5)。
空气清洁系统还可以包括：第二反应器4b，其具有第二入口11b和第二出口12b，并且在其中形成有通道；第二水分吸附过滤器5b和第二水溶性气体污染物吸附过滤器6b，它们安装在第二反应器4b的内部，并且被设置成使得气体在沿着通道从第二入口11b向第二出口12b流动时依次从它们中通过；以及多个第二磁控管7b，其设置在第二反应器4b的侧部，以分别对应于第二水分吸附过滤器5b和第二水溶性气体污染物吸附过滤器6b，并且选择性地将微波施加到第二水分吸附过滤器5b和第二水溶性气体污染物吸附过滤器6b。换热器8接收含有水分和水溶性气体污染物(两者从第二水分吸附过滤器5b和第二水溶性气体污染物吸附过滤器6b脱附并由第二出口12b排出)的热空气，将水分冷凝成水，将水溶性气体污染物溶解在冷凝水中并排出。
详细地说，本发明提供一种双塔系统，其中两个各配有吸附过滤器的反应器并联连接，从而能够交替地执行吸附过程和解吸过程。在本发明中，待处理气体是含有水溶性气体污染物和水分的湿空气。待处理气体被控制以被供给至其中进行吸附过程的反应器，而不被供给至其中进行解吸过程的反应器。可以通过分别具有阀单元3a和3b的供给管来选择性地控制流入反应器中的气体的供给。供给管可以被设置成与第一入口11a和第二入口11b连通。此外，待处理气体可以通过泵2a和2b被供给到反应器中。
参考图4，在第一反应器4a中进行吸附处理。吸附过程可以如下进行。
通过打开位于第一反应器4a的第一入口11a处的打开/关闭阀3a，将含有水溶性气体污染物和水分的湿空气引入第一反应器4a中，第一反应器4a具有第一入口11a和第一出口12a，并且在其中依次安装有第一水分吸附过滤器5a和第一水溶性气体污染物吸附过滤器6a。当被引入的材料流过第一水分吸附过滤器5a和第一水溶性气体污染物吸附过滤器6a时，水分和水溶性污染物被吸附到吸附过滤器5a和6a，并且清洁后的干燥空气10在位于第一出口12a处的打开/关闭阀3c打开的状态下被排出。使用打开/关闭阀3g控制清洁后的干燥空气10，以防止引入换热器8中。此外，使用打开/关闭阀3e来控制在吸附过程中从换热器8产生的热空气，从而防止引入第一反应器4a中。
参考图4，在第二反应器4b中进行解吸过程。解吸过程可以如下进行。
水分和水溶性污染物已分别被吸附到依次设置在第二反应器4b(具有第二入口11b和第二出口12b)内的第二水分吸附过滤器5b和第二水溶性气体污染物吸附过滤器6b。通过第二磁控管7b将微波施加到吸附过滤器5b和6b，从而升高温度，所吸附的水分和水溶性污染物被解吸。所解吸的水分和污染物以热空气或气体的形式从第二出口12b排出，被供给到换热器8。水分在换热器8中被冷凝成水，水溶性气体污染物溶解在水中并被储存在单独的储存容器9中。使用打开/关闭阀3h和3d控制所解吸的水分和污染物，从而仅流入换热器8中而不被排放到外部。此外，使用打开/关闭阀3f控制在解吸过程中从换热器8产生的热空气以流入第二反应器4b中，从而被用作吹扫气体。使用打开/关闭阀3b控制含有水溶性气体污染物和水分的外部湿空气，以防止被引入第二反应器4b中。
以这种方式，在不更换吸附过滤器的情况下，在两个反应器中交替地进行吸附过程和解吸过程。图5示出在第一反应器4a中进行解吸过程并在第二反应器4b中进行吸附过程的空气清洁系统的结构。这里，解吸过程和吸附过程以与上述相同的方式进行。图6示出作为示例的双塔系统的外观。
水分吸附过滤器可以包括选择性吸附水分的吸附剂。例如，吸附剂可以包括但不限于选自亲水性沸石、硅胶、活性氧化铝、浸渍氧化铝、氯化钙及其混合物中的一种。
通常，沸石具有硅原子和铝原子通过氧原子三维连接的结构，并且可以包括碱金属例如钠、钾、锂等。可以根据硅和铝的摩尔比(Si/Al比)和三维结构生产各种沸石。本发明的沸石可以包括选自由沸石A、沸石X、沸石Y、沸石L、具有五元环型(pentasil)结构的ZSM-5、丝光沸石和b-沸石组成的组中的至少一种。
当使用沸石作为水分吸附过滤器的吸附剂时，优选使用Si/Al比为10以下的亲水性沸石，但本发明不限于此。
水溶性气体污染物吸附过滤器可以包括选择性吸附气体污染物的吸附剂。例如，吸附剂可以包括但不限于选自由疏水性沸石、活性氧化铝及其混合物组成的组中的一种。
由于由可与骨架中的(AlO2)-的阴离子交换的阳离子产生的强静电场，沸石能够显示出与水的高亲和力(高亲水性)。然而，如果通过选择合成条件或脱铝来增加Si/Al比，则沸石显示出疏水性，并且选择性地吸附有机分子而不是水。疏水性沸石能够选择性地吸附含水分气体中的有机化合物。
当使用沸石作为水溶性气体污染物吸附过滤器的吸附剂时，使用Si/Al比为10-300、优选为20-200的疏水性沸石。然而，本发明不限于此。疏水性沸石可以是八面沸石、丝光沸石或ZSM-5，并且可以与K、Li、Cs或Ba进行离子交换。
此外，在水溶性气体污染物吸附过滤器中另外使用对人体无害的尿素，从而能够制造环保吸附剂。
水分吸附过滤器和水溶性气体污染物吸附过滤器还包括微波吸收材料例如SiC、金属氧化物或金属化合物，从而能够降低解吸所需的微波能量。
吸附材料可以根据使用目的以个体形式或混合物形式使用，或者可以以任意形状例如球形、粒状或蜂窝状形成并使用。此外，可以根据需要使用过滤介质、粘合剂或成孔剂。
根据本发明的空气清洁系统能够在室温下使用，预期通过热回收和再生而减少能量，因此不需要高温处理，同时去除在空气中包括的水分和水溶性气体污染物。特别地，空气清洁系统使用微波使材料周期性地再生，因此可以被半永久地使用而不需要更换。
工业适用性
本发明中使用的微波直接加热吸附剂，因此能够在短时间内升高温度。因此，与使用热风的现有除湿系统相比，预期空气清洁系统能够将能量效率提高约30％以上。

Claims (13)

1.一种空气清洁系统，包括：
第一反应器，所述第一反应器具有第一入口和第一出口，并且在其中形成有通道；
第一水分吸附过滤器和第一水溶性气体污染物吸附过滤器，所述第一水分吸附过滤器和所述第一水溶性气体污染物吸附过滤器设置在所述第一反应器内部，并被设置成使得气体在沿着所述通道从所述第一入口流向所述第一出口时依次从所述第一水分吸附过滤器和所述第一水溶性气体污染物吸附过滤器中通过；
多个第一磁控管，所述多个第一磁控管设置在所述第一反应器的侧部，以分别对应于所述第一水分吸附过滤器和所述第一水溶性气体污染物吸附过滤器，并且选择性地将微波施加至所述第一水分吸附过滤器和所述第一水溶性气体污染物吸附过滤器；和
换热器，所述换热器接收含有从所述第一水分吸附过滤器和所述第一水溶性气体污染物吸附过滤器解吸出并从所述第一出口排出的水分和水溶性气体污染物的热空气，将所述水分冷凝成水，并将所述水溶性气体污染物溶解在所述冷凝水中并排出。
2.根据权利要求1所述的空气清洁系统，还包括：
第二反应器，所述第二反应器独立于所述第一反应器设置且具有第二入口和第二出口，并且在其中形成有通道；
第二水分吸附过滤器和第二水溶性气体污染物吸附过滤器，所述第二水分吸附过滤器和所述第二水溶性气体污染物吸附过滤器安装在所述第二反应器内部并且被设置成使得气体在沿着通道从所述第二入口流向所述第二出口时依次从所述第二水分吸附过滤器和所述第二水溶性气体污染物吸附过滤器中通过；以及
多个第二磁控管(7b)，所述多个第二磁控管(7b)设置在所述第二反应器的侧部，以分别对应于所述第二水分吸附过滤器和所述第二水溶性气体污染物吸附过滤器，并且选择性地将微波施加至所述第二水分吸附过滤器和所述第二水溶性气体污染物吸附过滤器，
其中所述换热器接收含有从所述第二水分吸附过滤器和所述第二水溶性气体污染物吸附过滤器解吸出并由所述第二出口排出的水分和水溶性气体污染物的热空气，将所述水分冷凝成水，并且将所述水溶性气体污染物溶解在所述冷凝水中并排出。
3.根据权利要求2所述的空气清洁系统，还包括供给管，所述供给管被设置成与所述第一入口和所述第二入口连通并且具有阀单元，所述阀单元选择性地控制流入所述第一反应器和所述第二反应器的气体的供给。
4.根据权利要求1或2所述的空气清洁系统，其中，经过所述换热器的热空气作为吹扫气体被注入所述第一反应器或所述第二反应器中。
5.根据权利要求1所述的空气清洁系统，其中，所述水溶性气体污染物包括选自由一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、二氧化硫(SO2)、三氧化硫(SO3)、硫化氢(H2S)、硫化羰(COS)、二硫化碳(CS2)、氨(NH3)、异丙醇(IPA；C3H8O)、甲乙酮(MEK；C4H8O)、氟化物及其混合物组成的组中的一种。
6.根据权利要求1所述的空气清洁系统，还包括设置在所述第一反应器内部并防止所述微波中的干扰的阻挡板。
7.根据权利要求1所述的空气清洁系统，其中，所述第一水分吸附过滤器包括选自由亲水性沸石、硅胶、活性氧化铝、浸渍氧化铝、氯化钙及其混合物组成的组中的一种。
8.根据权利要求1所述的空气清洁系统，其中，所述第一水溶性气体污染物吸附过滤器包括选自由疏水性沸石、活性氧化铝及其混合物组成的组中的一种。
9.根据权利要求1所述的空气清洁系统，其中，所述第一水分吸附过滤器和所述第一水溶性气体污染物吸附过滤器还包括微波吸收材料。
10.根据权利要求2所述的空气清洁系统，还包括设置在所述第二反应器内部并防止所述微波中的干扰的阻挡板。
11.根据权利要求2所述的空气清洁系统，其中，所述第二水分吸附过滤器包括选自由亲水性沸石、硅胶、活性氧化铝、浸渍氧化铝、氯化钙及其混合物组成的组中的一种。
12.根据权利要求2所述的空气清洁系统，其中，所述第二水溶性气体污染物吸附过滤器包括选自由疏水性沸石、活性氧化铝及其混合物组成的组中的一种。
13.根据权利要求2所述的空气清洁系统，其中，所述第二水分吸附过滤器和所述第二水溶性气体污染物吸附过滤器还包括微波吸收材料。
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