DD291200A5

DD291200A5 - APPARATUS FOR UV-IRRADIATION FLOORING AND GASES

Info

Publication number: DD291200A5
Application number: DD33663889A
Authority: DD
Inventors: Andreas Meyer; Eberhard Semmler; Thomas Goedecke; Peter Beckus; Roland Fischer; Reinhard Voigt
Original assignee: Mikroelektronik "Karl Marx",De
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1991-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur UV-Bestrahlung stroemender Fluessigkeiten und Gase, insbesondere zur Aufbereitung verunreinigter Loesungsmittel zu hochreinen vorzugsweise fuer Analysenzwecke und zum Einsatz im Produktionsprozesz bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente. Die Vorrichtung hat parallel zueinander angeordnete vom zu bestrahlenden Medium durchstroemte Quarzglasrohre in einem durch eine Zylindermantelflaeche und deren beiden Stirnflaechen gebildeten Entladungsgefaesz. Die Entladung wird durch ein hochfrequentes elektrisches Feld angeregt. Die Ankopplung der HF-Energie erfolgt kapazitiv ueber einen aus zwei voneinander isolierten Teilen bestehenden Metallblock, der die Zylindermantelflaeche formschluessig umgibt. Fig. 1{UV-Strahler; Fotoreaktor; Sterilisation von Luft und Wasser; Quecksilberdampflampe; Strahlungsintensitaet; Durchsatz}The invention relates to a device for UV irradiation of flowing liquids and gases, in particular for the treatment of contaminated solvents to highly pure preferably for analysis purposes and for use in the production process in the manufacture of microelectronic components. The device has quartz glass tubes, which are arranged parallel to one another and through which the medium to be irradiated flows, in a discharge vessel formed by a cylindrical surface and its two end surfaces. The discharge is excited by a high-frequency electric field. The RF energy is coupled capacitively by means of a metal block consisting of two mutually insulated parts, which surrounds the cylindrical surface of the cylinder in a form-locking manner. Fig. 1 {UV emitter; Photo reactor; Sterilization of air and water; Mercury vapor lamp; radiant intensity; throughput}

Description

Hierzu 2 Seiten ZeichnungenFor this 2 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen Fotoreaktor zum fotochemischen Umsetzen und zum fotochemischen Abbau von Substanzen in gasförmigem oder flüssigem Aggregatzustand für hohe Durchsätze, vorzugsweise für den Einsatz beim Abbau von Schadstoffen beim Umweltschutz.The invention relates to a photoreactor for photochemical reaction and photochemical degradation of substances in gaseous or liquid state for high throughputs, preferably for use in the degradation of pollutants in environmental protection.

Charakteristik de? bekannten Standes der TeehnlkCharacteristic de? known state of Teehnlk

Es ist bekannt, zum Reinigen und Entkeimen von Flüssigkeiten und Gasen UV-Strahlung einzusetzen.It is known to use UV radiation for cleaning and sterilizing liquids and gases.

Bei den bevorzugt dazu verwendeten Vorrichtungen durchströmt das zu behandelnde Medium ein im wesentlichen zylindrisches, vorzugsweise aus Quarzglas bestehendes Rohr, innerhalb oder außerhalb dessen mindestens ein UV-Strahler angeordnet ist.In the devices preferably used for this purpose, the medium to be treated flows through a substantially cylindrical tube, preferably made of quartz glass, inside or outside of which at least one UV radiator is arranged.

Diesen Vorrichtungen ist gemeinsam, daß sehr hohe Durchsätze wegen der begrenzten Eindringtiefe der UV-Strahlung in das zu bestrahlende Medium nur durch ex»rem hohe Strömungsgeschwindigkeiten be! kleinem Rohrdurchmesser und bei sehr langen Rohren oder durch die Anordnung einer großen Anzahl solcher parallel oder in Reihe geschalteter Reaktoren realisiert werden können. Im ersten Fall ist ein hoher Aufwand erforderlich, um eine hinreichende Verweildauer am Strahler zu erreichen, im zweiten Fall verlangt die Vielzahl der Einzelreaktoren hohe Investitionskosten und einen großen Platzbedarf. In beiden Fällen ist die Wartung sehr aufwendig.These devices have in common that very high throughputs due to the limited penetration depth of the UV radiation in the medium to be irradiated only by except high flow rates be! small pipe diameter and very long pipes or by the arrangement of a large number of such parallel or series reactors can be realized. In the first case, a high effort is required to achieve a sufficient residence time at the radiator, in the second case, the large number of individual reactors requires high investment costs and a large amount of space. In both cases, the maintenance is very expensive.

Um einen größeren Durchsatz mit hinreichend langen Verweilzeiten am UV-Strahler anzustreben, ist es bekannt, stabförmige UV-Strahler in einer Reihe anzuordnen und vom zu bestrahlenden Medium umströmen zu lassen (EP 80780, C 02 F1/329).To strive for a larger throughput with sufficiently long residence times on the UV lamp, it is known to arrange rod-shaped UV lamps in a row and to flow around the medium to be irradiated (EP 80780, C 02 F1 / 329).

Wegen der von der Eindringtiefe der Strahlung abhängigen, über den Strömungsquerschnitt unterschiedlichen Absorption der UV-Strahlung ist ein überhöhter Energieeinsatz für die UV-Strahlung notwendig, oder eine vollständige Umsetzung oder eine sichere Entkeimung ist nicht gewährleistet.Owing to the absorption of the UV radiation, which is dependent on the penetration depth of the radiation and differs across the flow cross-section, an excessive use of energy for the UV radiation is necessary, or complete conversion or reliable sterilization is not ensured.

Es ist auch weiterhin bekannt, eine größere Anzahl von Stabstrahlern in einem Ringraum anzuordnen, der in Umfangsrichtung vom zu bestrahlenden Medium durchströmt wird (DE 3624169, A 61 L 2/08). Auch hier sind der Aufbau dieses Fotoreaktors und die Wartung sehr aufwendig.It is also known to arrange a larger number of rod radiators in an annular space, which is flowed through in the circumferential direction of the medium to be irradiated (DE 3624169, A 61 L 2/08). Again, the structure of this photoreactor and maintenance are very expensive.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, ein vom zu bestrahlenden Medium durchströmtes Quarzglasrohr mit einem weiteren Quarzglasrohr zu umgeben und in dem so gebildeten Rlngiaum über jeweils paarweise an den Stirnseiten des Ringraumes gegenüberliegende Elektroden durch Stromdurchgang ein J elektrische Entladung aufrechtzuerhalten. Wegen der begrenzten Belastbarkeit der Elektroden ist auch die Strahlungsintensität begrenzt. Weiterhin ist die Entladung nicht homogen, sie konzentriert sich auf die Strecken jeweils zwischen den paarweise gegenüberliegenden Elektroden.It has also been proposed to surround a quartz glass tube through which the medium to be irradiated flows with another quartz glass tube and to maintain a J electrical discharge in the thus formed annular space via electrodes lying in pairs on the end faces of the annular space. Because of the limited load capacity of the electrodes, the radiation intensity is limited. Furthermore, the discharge is not homogeneous, it focuses on the distances between each pairwise opposite electrodes.

Es ist weiterhin bekannt, bei UV-Strahlern zum Erreichen einer hohen Strahlungsintensität für Beleuchtungszwecke oder zum Einsatz bei der Herstellung mikroefektronischer Bauelemente beim Härten von Fotolackmasken elektrodenlose Gasentladungsgefäße einzusetzen. Bei derartigen Strahlern wird ein hochfrequentes elektrisches oder elektromagnetisches Feld angekoppelt, beispielsweise durch induktive Ankopplung einer Ferritspule (US-PS 3500118, HOIJ 7/44,13/46) oder durch Mikrowellen (DE-OS 3419217, G 03 F 7/00). Diese Vorrichtungen sind zur UV-Bestrahlung von durch Quarzglasrohre strömende Medien ungeeignet, weil die Ankopplung der HF-Energie an das Gasentladungsgefäß in platzaufwendiger unmittelbarer räumlicher Nähe erfolgen muß. Unter dieser Bedingung ist eine Anordnung eines stabförmigen UV-Strahlers innerhalb eines vom zu bestrahlenden Medium durchströmten Quarzglasrohres nicht möglich. Wegen des großen Raumbedarfes ist eine Anordnung mehrerer stabförmiger Strahler um ein solches durchströmtes Quarzglasrohr ebenso ausgeschlossen.It is also known to use electrodeless gas discharge vessels in UV lamps to achieve a high radiation intensity for illumination purposes or for use in the manufacture of micro-electronic components in the curing of photoresist masks. In such radiators, a high-frequency electric or electromagnetic field is coupled, for example by inductive coupling of a ferrite coil (US-PS 3,500,118, HOIJ 7 / 44,13 / 46) or by microwaves (DE-OS 3419217, G 03 F 7/00). These devices are unsuitable for the UV irradiation of flowing through quartz glass tubes media, because the coupling of the RF energy to the gas discharge vessel must be in space-consuming immediate spatial proximity. Under this condition, an arrangement of a rod-shaped UV emitter within a quartz glass tube through which the medium to be irradiated is not possible. Because of the large space requirement, an arrangement of several rod-shaped radiator to such a flow-through quartz glass tube is also excluded.

ΖίβΙ der ErfindungΙβΙ the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, bei fotochömischen Reaktionen in strömenden Flüssigkeiten und Gasen einen sehr hohen Durchsatz der zu bestrahlenden Medien, eine sehr hohe und sehr homogene Strahlungsintensität und damit eine weitestgehend vollkommene fotochemische Umsetzung sowie einen effektiven Energieeinsali: zu verwirklichen. Diese Prozeßbedingungen sind unerläßlich bei der Herstellung hochreiner Produkte des fotochemischen Prozesses, beispielsweise für die Aufbereitung verunreinigter Lösungsmittel zu hochreinen zum Einsatz bei der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente oder für Analysenzwecke.It is the object of the invention to realize in photochemical reactions in flowing liquids and gases a very high throughput of the media to be irradiated, a very high and very homogeneous radiation intensity and thus a largely complete photochemical reaction and an effective Energieeinsali :. These process conditions are indispensable in the production of high purity products of the photochemical process, for example, for the treatment of contaminated solvents to high purity for use in the manufacture of microelectronic devices or for analysis purposes.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der die bei einer Anordnung von einzelnen Stabstrahlern oder von einzelnen Entladungsstrecken um das vom zu bestrahlenden Medium durchströmte Quarzglasrohr bedingte Inhomogenität und begrenzte Intensität der UV-Bestrahlung vermieden werden.The invention has for its object to provide a device with which the inhomogeneity and limited intensity of the UV irradiation caused by an arrangement of individual rod radiators or of individual discharge paths around the quartz glass tube through which the medium to be irradiated is avoided.

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zur UV-Bestrahlung strömender Flüssigkeiten und Gase aus, bei der vom zu bestrahlenden Medium durchströmte parallel zueinander angeordnete Quarzglasrohre von einer die UV-Strahlung abgebenden elektrischen Entladung umgeben sind.The invention is based on a device for UV irradiation of flowing liquids and gases, in which quartz glass tubes through which flow from the medium to be irradiated are surrounded by an electric discharge emitting the UV radiation.

Erfindungsgemäß ist die elektrische Entladung in an sich bekannter Weise durch ein hochfrequentes elektrisches Feld angeregt, und das aus Quarzglas bestehende Entladungsgefäß ist durch oine Zylindermantelfläche, durch deren Stirnflächen und durch mindestens drei vom zu bestrahlenden Medium durchströmte, die Stirnflächen durchtretende Quarzgiasrohre gebildet. Die Hauptachsen der Quarzglasrohre liegen parallel zueinander und in mindestens drei Ebenen.According to the invention, the electric discharge is excited in a conventional manner by a high-frequency electric field, and the quartz glass discharge vessel is formed by oine cylinder surface, through whose faces and through at least three of the medium to be irradiated flowed through, the end faces passing quartz-silica. The main axes of the quartz glass tubes are parallel to each other and in at least three levels.

Der Durchmesser der Zylindermantelfläche des Entladungogefäßes und der Durchmesser der seine Stirnflächen durchtretenden Quarzglasrohre stehen im Verhältnis von etwa 2,'J:1 bis etwa 10:1 zueinander.The diameter of the cylinder jacket surface of the discharge vessel and the diameter of the quartz glass tubes passing through its end faces are in the ratio of about 2, 1: 1 to about 10: 1 to one another.

Bei einer Anordnung von drei Quarzglasrohren stehen der Durchmesser der Zylindermantelfläche und der Durchmesser der Quarzglasrohre im Verhältnis von etwa 3:1 zueinander, bei einer Anordnung von acht Quarzglasrohren beträgt dieses VerhältnisIn an arrangement of three quartz glass tubes, the diameter of the cylinder jacket surface and the diameter of the quartz glass tubes in the ratio of about 3: 1 to each other, with an arrangement of eight quartz glass tubes, this ratio

Ausführur.gsbelsplelAusführur.gsbelsplel

An Hand von Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Es zeigenWith reference to drawings, an embodiment of the invention will be explained. Show it

Fig. 1: einen Schnitt senkrecht zur Strömungsrichtiing des zu bestrahlenden Mediums durch den Fotoreaktor und Fig. 2: einen Schnitt parallel zur Strömungsrichtung des zu bestrahlenden Mediums in Höhe des Dielektrikums und durch die Anschlußflansche.1 shows a section perpendicular to the flow direction of the medium to be irradiated through the photoreactor, and FIG. 2 shows a section parallel to the flow direction of the medium to be irradiated at the level of the dielectric and through the connecting flanges.

Einander entsprechende Teile in Fig. 1 und Fig. 2 haben gleiche Bezugszuichen erhalten.Corresponding parts in FIG. 1 and FIG. 2 have been given the same reference numerals.

Entsprechend der Fig. 1 wird das Entladungsgefäß durch eine Zylindermantelfläche 1 mit großem Durchmesser, durch deren Stirnflächen 2 und durch die vom zu bestrahlenden Medium durchströmten, die Stirnflächen 2 durchtretenden Quarzglasrohre mit kleinerem Durchmesser gebildet. Die Quarzglasrohre 3 sind mit den Stirnflächen 2 dicht verbunden und durch sie in ihrer Lage fixiert. Die Hauptachsen der durchströmten Quarzglasrohre 3 liegen parallel zueinander. Die Quarzglasrohre 3 sind so übe^r den Querschnitt innerhalb der Zylindermantelfläche 1 verteilt, daß sie durch die in diesem mit einer Metalldampf-Edelgas-Füllung versehenen Entladungsraum angeregte Entladung allseits eine gleichförmige UV-Bestrahlung erhalten. Um die Zylindermantelfläche 1 ist ein Metallblock 4 - auch als aus Metallblech gefertigter Hohlkörper in der Funktion gleichwertig angeordnet, der aus zwei Teilen besteht und der gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllt. Er dient zur Übertragung der elektrischen Energie für die Gasentladung, als Reflektor und als mechanischer Schutz für die Zylindermantelfläche ' aus Quarzglas. Die beiden Teile des Metallblockes 4 sind durch ein Dielektrikum 5 gegeneinander elektrisch isoliert. Die Ankopplung der HF-Energie an den Entladungsraum im durch die Zylindermanteifläche 1 und durch ihre beiden Stirnflächen 2 gebildeten Entladungsgefäß erfolgt kapazitiv über die beiden voneinander isolierten Teile des Metallblockes 4. In Fig. 2 sind über die in Fig. 1 beschriebenen Teile hinaus Anschlußflansche 6 dargestellt, über die der Fotoreaktor in Rohrleitungssysteme eingebaut werden kann. Vorkammern und Nachkammern 7 gestatten die Verteilung auf die einzelnen Quarzglasrohre 3.1, the discharge vessel is formed by a cylinder jacket surface 1 with a large diameter, through whose end faces 2 and through the medium to be irradiated flowed through, the end faces 2 passing quartz glass tubes with a smaller diameter. The quartz glass tubes 3 are tightly connected to the end faces 2 and fixed by them in their position. The main axes of the flow-through quartz glass tubes 3 are parallel to each other. The quartz glass tubes 3 are distributed so übe ^r the cross section within the cylinder jacket surface 1, that they receive a uniform UV radiation excited by the discharge chamber provided in this with a metal vapor-noble gas filling discharge. To the cylinder surface 1 is a metal block 4 - arranged as equivalent made of sheet metal hollow body in the function equivalent, which consists of two parts and simultaneously fulfills several functions. It serves to transfer the electrical energy for the gas discharge, as a reflector and as mechanical protection for the cylindrical surface of quartz glass. The two parts of the metal block 4 are electrically insulated from each other by a dielectric 5. The coupling of the RF energy to the discharge space in the discharge vessel formed by the Zylindermanteifläche 1 and by its two end faces 2 is capacitively on the two mutually insulated parts of the metal block 4. In Fig. 2 are beyond the parts described in Fig. 1 connecting flanges. 6 represented over which the photoreactor can be installed in piping systems. Prechambers and after-chambers 7 allow distribution to the individual quartz glass tubes 3.

Es ist auch zweckmäßig, die vom zu bestrahlenden Medium durchströmten Quarzglasrohre 3 in Reihenschaltung zu betreiben, was durch Umkehrrohrstücke an den Stirnseiten der Zylindermanteifläche 1 bewerkstelligt werden kann. Dadurch können sehr lange Verweilzeiten des zu bestrahlenden Mediums im Fotoreaktor erreicht werden.It is also expedient to operate the quartz glass tubes 3 through which the medium to be irradiated flows in series, which can be accomplished by means of reversing tube pieces on the end faces of the cylindrical contact surface 1. As a result, very long residence times of the medium to be irradiated in the photoreactor can be achieved.

Gegenüber einer Anordnung von einzelnen Stabstrahlern um ein vom zu bestrahlenden Medium durchströmten Quarzglasrohr und gegenüber einer Anordnung, bei der ein solches durchströmtes Quarzglasrohr von einem Ringraum umgeben ist, in dem über an den Stirnseiten des Ringraumes paarweise angeordnete Elektroden im Stromdurchgang eine elektrische Entladung aufrecht erhalten wird, wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine sehr homogene und sehr intensive UV-Bestrahlung erreicht.Opposite an arrangement of individual rod radiators to a flowed through by the medium to be irradiated quartz glass tube and to an arrangement in which such a flow-through quartz glass tube is surrounded by an annulus in which on the front sides of the annulus pairwise arranged electrodes in the current passage, an electrical discharge is maintained , a very homogeneous and very intense UV irradiation is achieved with the device according to the invention.

Claims

1. A device for UV irradiation flowing Flüssigkelten and gases, in which the medium to be irradiated flowed through mutually parallel quartz glass tubes are surrounded by a UV radiation emitting electrical discharge, characterized in that the electrical discharge in a conventional manner by a high-frequency electric field is excited and that the quartz glass discharge vessel by a cylinder jacket surface (1), through the two end faces (2) and through at least three penetrating quartz glass tubes (3) is formed, whose mutually parallel principal axes lie in at least three planes.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the diameter of the cylinder jacket surface (1) of the discharge vessel and the diameter of its end faces passing quartz glass tubes (3) in the ratio of about 2.5: 1 to about 10: 1 to each other.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that in an arrangement of three quartz glass tubes (3), the diameter of the cylinder jacket surface (1) and the diameter of the quartz glass tubes (3) in the ratio of about 3: 1 to each other.

4. Apparatus according to claim 2, characterized in that in an arrangement of eight quartz glass tubes (3), the diameter of the cylinder jacket surface (1) and the diameter of the quartz glass tubes (3) in the ratio of about 6: 1 to each other.