DE69722310T2

DE69722310T2 - Wegwerfmembranmodul mit niedrigem Totvolumen

Info

Publication number: DE69722310T2
Application number: DE69722310T
Authority: DE
Inventors: Gaston De Los Reyes; Karl J. Niermeyer
Original assignee: Mykrolis Corp
Current assignee: Entegris Inc
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1997-06-18
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2017-06-19
Also published as: KR980000558A; JP3466878B2; EP0815928A3; DE815928T1; US5762789A; CN1173389A; EP0815928A2; EP0815928B1; JPH1066836A; DE69722310D1; CN100435912C; KR100240857B1; CN1544132A; CN1138585C

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Membranfilterung. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf Fluidtrennmodule, die sauberer und leichter einzusetzen sind als die herkömmlicherweise bei der Filterung von ultrareinen Fluiden verwendeten, und insbesondere auf diejenigen Fluide, die bei Halbleiter-Herstellungsprozessen verwendet werden. Ferner bezieht sich diese Erfindung auch auf die Gestaltung von Membranfiltermodulen, die einfach und bequem auszutauschen sind, da sie all ihre aktiven Anschlüsse an einem Ende des Filtermoduls haben. Nachstehend werden die Begriffe Filter, Filtermodul und Modul austauschbar verwendet.
Die Steuerung bzw. Kontrolle von Verunreinigungen in Teilchengröße bei Halbleiter-Herstellungsprozessen erfordert die Verwendung von ultrareinen Filtern mit Membranen, welche Sub-Mikron-Partikel entfernen (d. h. Membranfilter). Es ist bekannt, daß jegliches Partikel, das sich auf einem Halbleiterwafer absetzt, einen Defekt erzeugt, falls das Partikel groß genug ist. Typischerweise können in der Halbleiterindustrie Killerdefekte durch Partikel erzeugt werden, die lediglich ein Zehntel der kleinsten Merkmalsgröße des Halbleiterchips betragen. Daher werden Membranfilter bei jedem Schritt des Verfahrens zur Herstellung von Halbleiterchips eingesetzt, um sowohl Flüssigkeiten als auch Gase zu reinigen. Um diese strikten Anforderungen zu erfüllen, sollten Membranfilter verschiedene erwünschte Merkmale aufweisen, wie sie nachstehend beschrieben werden.
Außer frei von Verunreinigung durch Teilchen zu sein, darf das in dem Modul enthaltene Fluidvolumen nicht stagnieren oder "tot" sein. Das heißt, die Konfiguration des Volumens in dem Modul muss derart sein, daß, wenn Flüssigkeit durch das Modul strömt, das gesamte Flüssigkeitsvolumen sehr schnell ausgetauscht oder weggespült wird. Dies ist für die schnelle und zuverlässige Reinigung etwaiger Verunreinigungen notwendig, die unweigerlich während der Herstellung in das Filter geraten sind, sowie von Verunreinigungen, die im Einsatz erzeugt worden sein können. Membranfilter, die diese Anforderung erfüllen, werden nachstehend als "Null-Totvolumen"-Filter ("zero dead volume" filters) bezeichnet.
Außerdem ist es sehr erwünscht, das Heruntertropfen von chemischen Stoffen aus dem Filter auf die Prozeßeinrichtung während dem Filteraustausch zu verhindern. Als allgemeine Praxis ist es immer erwünscht, ein solches Heruntertropfen zu vermeiden, aber im Fall von Reinraumumgebungen oder gefährlichen Chemikalien ist dieses Merkmal wesentlich. Dies kann bewerkstelligt werden, indem ein wegwerfbares (in sich geschlossenes) Filtermodul verwendet wird, indem alle aktiven Verbindungen (d. h. diejenigen Verbindungen, die verwendet werden, während Fluid gefiltert wird) an der Oberseite des Moduls gelegen sind. Ein anderer Vorteil einer solchen Konfiguration ist die einfache Verbindung mit der Prozesseinrichtung, die bedeutend verbessert wird, indem alle Verbindungen sich nur an einem Ende befinden. Module, die auf diese Weise gestaltet sind, tendieren dazu, kompakter zu sein, was eine wichtige Erwägung bei Umgebungen, die hohe Kosten verursachen, ist.
Es sind zwar viele verschiedene Gestaltungen für bei der ultrareinen Flüssigkeitsfilterung verwendete Filter entwickelt worden, zwei Gestaltungen dominieren jedoch den Großteil der eingesetzten Filtermodule. Bei einer Filtergestaltung, die das Problem des Totvolumens aufgreift, strömt die zu filternde Flüssigkeit von einem Ende des Filtermoduls zum anderen. Bei dieser Art von Filtern sind die Zufuhr- und Permeat-Verbindungen an gegenüberliegenden Enden des Filters gelegen, wodurch die Flüssigkeitsströmung gezwungen wird, von einem Ende zum anderen zu verlaufen. Auf diese Weise kann das gesamte Totvolumen eliminiert oder zumindest minimiert werden. Diese Strömungskonfiguration wird als "Inline"-Strömungskonfiguration bezeichnet. Viele wegwerfbare Module, die heutzutage verwendet werden, sind auf diese Weise gestaltet. Trotz des Vorteils des Null-Totvolumens, der durch die In-line-Konfiguration geboten wird, weisen diese Filter jedoch zwei Nachteile auf: erstens sind sie schwieriger mit der Prozeßeinrichtung zu verbinden, da das Modul zwischen zwei Sätzen von Verbindungen sandwichartig eingeklemmt ist, und zweitens trocknet etwaige freie Flüssigkeit, die in dem Modul verbleibt, schnell bei der Lösung der Verbindung infolge der Tatsache, daß mindestens eine Verbindung sich am Boden des Moduls befindet.
Um eine Installation an der Prozeßausrüstung einfacher und einen Filteraustausch leichter zu gestalten, sind bei einer zweiten Filtermodulgestaltung alle Verbindungen am gleichen Ende des Moduls angeordnet. Bei dieser Art von Modul sind die Zufuhr- und Permeat-Öffnungen typischerweise an der Oberseite oder dem "Kopfende" des Moduls horizontal auf gegenüberliegenden Seiten desselben ausgerichtet. Infolge ihrer Form werden diese Module als Module mit "T"-Konfiguration bezeichnet. Während die T-Konfiguration eine Verbindung zum Rest des Fluidsystems einfacher gestaltet, weist sie jedoch einen Hauptnachteil auf, nämlich daß ein Totraum in dem Bereich zwischen dem Boden bzw. der Unterseite des Filterelements und dem Modulgehäuse besteht. Infolge dieses Totraums ist die Zeit, die zum Durchspülen des Moduls erforderlich ist, sehr lang und kann infolgedessen zur Erzeugung von unerwünschten Verunreinigungen im Fall von Fluiden führen, die im Verlauf der Zeit schlecht werden. Mit anderen Worten ist dieser Bereich ein signifikantes Totvolumen und erzeugt somit einen unreinen Zustand.
Thomsen et al. beschreiben im US-Patent Nr. 4 654 142 ein Filtersystem zur Wasserbehandlung, welches den Einsatz eines separaten und wiederverwendbaren Kopfelements mit Verbindungsöffnungen offenbart, welche abdichtend mit miteinander verbundenen Zufuhr- und Sammelöffnungen an einer wegwerfbaren Wasserreinigungspatrone zusammenpassen. Beide Verbindungsöffnungen sind am gleichen Ende der wegwerfbaren Patrone gelegen und sind einander benachbart. Bei einer Ausführungsform sind Kohlenstoff- und Ionenaustauschharz- Patronen, die als adsorptive Trennmedien verwendet werden, mit einer zentralen Leitung dargestellt, welche die Strömung von einer der Öffnungen zum gegenüberliegenden Ende der Patrone leitet oder umgekehrt. Zwar erläutern Thomsen et al. nicht den Grund für die Verwendung dieser zentralen Leitung, Fachleuten ist es jedoch ersichtlich, daß die Leitung den Bypass des Wassers verhindert, wenn es durch das adsorptive Harzmedium strömt. Während einige der von Thomsen et al. offenbarten Ausführungsformen das Problem eines Strömungs-Bypasses bei adsorptiven Harzbett-Patronen aufgreifen, leiden diese Gestaltungen nach wie vor unter Bereichen mit langsamer Strömung, die weit von den Zufuhr- und Sammelöffnungen entfernt sind. Nun kann zwar diese Gestaltung wirksam bei der Reduzierung des Strömungs-Bypass-Problems bei einer Harzbettpatrone sein, Thomsen et al. berücksichtigen jedoch nicht die Notwendigkeiten von Membranfiltermodulen, die bei der ultrareinen Flüssigkeitsfilterung eingesetzt werden, hinsichtlich des Problems eines Null-Totvolumens.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an Membranfiltern, die infolge der Tatsache, daß sie Verbindungen am gleichen Ende des Filters aufweisen, sauberer und einfacher auszutauschen sind, wodurch das Austrocknen der im Modul verbleibenden Flüssigkeit während eines Austauschs vermieden wird, was unerwünschterweise zum Verschütten von Flüssigkeiten führt. Außerdem besteht ein Bedarf an Membranfiltern mit den oben erläuterten Attributen und der weiteren Anforderung, im wesentlichen ein Null-Totvolumen bereitzustellen.
Die US-A-5 221 473 offenbart eine Filterpatronenanordnung für ein Reinigungssystem mit Umkehrosmose. Die Patrone ist als einzelne Einheit konfiguriert, die für eine einfache Installation in einem offenendigen Patronengehäuse geeignet ist, wobei das Gehäuse eine Kappe mit den erforderlichen drei Strömungsöffnungen zur Verbindung mit der Patrone aufweist und das offene Ende des Gehäuses verschließt, nachdem die Patrone eingesetzt worden ist. Die Patrone umfaßt eine Umkehrosmosemembran, welche das Innere des Patronengehäuses in zwei Volumen unterteilt. Eine zentrale Leitung ist an der Patrone angebracht und erstreckt sich longstudinal innerhalb des Patronengehäuses derart, daß die Strömung von dem geschlossenen Ende des Patronengehäuses zur Kappe gerichtet ist.
ABRISS DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fluidtrenn- oder Filtermodul bereitzustellen, das ein sehr geringes Totvolumen aufweist, einfach auszutauschen ist und wenig oder gar kein Verschütten von Flüssigkeit beim Austausch produziert. Eine Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Fluidtrenn- oder Filtermodul zu beschreiben, das die kombinierten Vorteile der Inline- und der T-Filterkonfiguration aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fluidtrennmodul bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik, indem sie ein Membranfiltermodul bereitstellt, welches die Vorteile einer Inline- und T-Filterkonfiguration kombiniert. Dieser kombinierte Vorteil wird durch internes Umrichten der Strömung in einem T-Konfigurationsfilter durch die Verwendung einer zentralen Strömungsleitung erhalten, welche die Strömung von einer der Öffnungen an dem "Kopf" eines T-Linienmoduls zu seinem gegenüberliegenden Ende richtet. Die bevorzugte Konfiguration ist zwar die, bei der sich der Kopf an der Oberseite des Moduls befindet, es ist jedoch anzumerken, daß er auch an der unteren oder oberen Position gelegen sein kann, ohne vom Wesentlichen dieser Erfindung abzuweichen. Nachstehend werden die Begriffe "oben" und "Kopf" austauschbar verwendet, um dasjenige Ende des Moduls zu bezeichnen, welches die Verbindungsöffnungen enthält, und "unten" und "Boden" wird zur Bezeichnung des gegenüberliegenden Endes verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform tritt ankommende Zuführflüssigkeit in eine Zuführöffnung ein, die mit einer zentralen Leitung verbunden ist, welche die gesamte Strömung von der Zuführöffnung zum anderen Ende des Moduls leitet, an dem sie in einer Kammer gesammelt wird und innerhalb des Moduls verteilt wird und durch einen Satz von Strömungsdurchgängen durch eine Membran strömt. Die gefilterte Flüssigkeit wird dann an der Auslaßöffnung gesammelt und zu anderen Abschnitten des Fluidbehandlungssystems verteilt. Auf diese Weise wird das gesamte Flüssigkeitsvolumen, das zu filtern ist, durch das Modul gespült.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1a eine Schnitt-Seitenansicht eines Membranfiltermoduls mit totem Ende gemäß dieser Erfindung, wobei sich alle Öffnungen am oberen Ende befinden, und das eine Einzelende-Hohlfaser als das Membrantrennelement aufweist, in der bzw. dem Flüssigkeit von außerhalb der Hohlfaser zu deren Innenseite durchströmt,
1b eine Schnitt-Seitenansicht des Moduls der 1a zur Darstellung des Strömungsmusters,
2a eine Schnitt-Seitenansicht eines Membranfiltermoduls mit totem Ende gemäß dieser Erfindung, wobei alle Öffnungen am oberen Ende gelegen sind, das eine Einzelende-Hohlfaser als das Membrantrennelement aufweist, in dem die Flüssigkeit von der Innenseite zur Außenseite der Hohlfaser durchströmt,
2b eine Schnitt-Seitenansicht des Moduls der 2a zur Darstellung des Strömungsmusters,
3a eine Schnitt-Seitenansicht eines Tangentialströmungs-Membranfilters gemäß dieser Erfindung, wobei alle Öffnungen sich an der Oberseite befinden, die ein Doppelende-Hohlfaserelement aufweist, in dem die Flüssigkeit von der Innenseite zur Außenseite der Hohlfaser durchströmt,
3b eine Schnitt-Seitenansicht des Moduls der 3a zur Darstellung des Strömungsmusters,
3c eine Schnitt-Seitenansicht des Moduls der 3a zur Darstellung des Strömungsmusters für den Fall, bei dem die Zufuhr- und Retentatöffnungen umgekehrt sind,
4a eine Schnitt-Seitenansicht eines Totende-Membranfiltermoduls ähnlich der in 1a gezeigten Ausführungsform, außer daß eine gefältelte Membran als das Trennelement verwendet wird,
4b eine Schnittseitenansicht des Moduls der 4a zur Darstellung des Strömungsmusters,
5 eine auseinandergezogene Schnittansicht des Trennelements mit gefältelter Membran der 4a, welche das Vorhandensein von Strömungsdurchgängen angibt, die durch einen Abstandhalter stromauf und stromab der Membran gebildet sind,
6 eine auseinandergezogene Schnittansicht des Hohlfasermembran-Trennelements der 1a, welche das Vorhandensein von Strömungsdurchgängen angibt, die durch das Hohlfaserlumen und durch den Raum zwischen den Hohlfasern gebildet sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung, wie sie nachstehend näher beschrieben wird, ist von Nutzen für Membranmodule, die zum Filtern von Flüssigkeiten verwendet werden, die sowohl im Totende- als auch im Tangentialströmungs-Filtermodus (TFF = tangential flow filtration) eingesetzt werden. Ein Totende-Membranfilter weist zwei Ströme auf, einen Zufuhrstrom und einen Permeatstrom (oder ein Filtrat) und erfordert daher ein Minimum von zwei Öffnungen zum Verbinden des Moduls mit dem Rest des Fluidbehandlungssystems. Typischerweise wird eine dritte Öffnung eingesetzt, um eine Ent-/Belüftung für die Zufuhrseite des Moduls bereitzustellen, wenn das Fluid eine Flüssigkeit ist; andernfalls verfängt sich Luft, die in den Zufuhrstrom eingeführt wird, stromauf der Membran, wodurch sie die Flüssigkeitsströmung behindert. Die gesamte in die Zufuhröffnung eingeleitete Strömung wird an der Permeatöffnung gesammelt. Demgegenüber hat ein TFF-Filter drei Ströme, Zufuhr-, Permeat- und Retentat-Strom, und erfordert daher ein Minimum von drei Öffnungen. Bei einem TFF-Filter wird nur ein Bruchteil der Zufuhrströmung gefiltert, wobei der restliche Teil an dem gegenüberliegenden Ende der Strömungsdurchgänge stromauf der Membran an der Retentatöffnung gesammelt wird. Manchmal wird eine zusätzliche Öffnung zur Drainage des Moduls vorgesehen, solche Öffnungen sind jedoch typischerweise während des Betriebs inaktiv. Da die bevorzugte Ausrichtung der aktiven Öffnungen bei der vorliegenden Erfindung an der Oberseite des Moduls stattfindet, ist eine Drainageöffnung oft am Bodenende gegenüber den anderen Öffnungen gelegen. Diese Drainageöffnungen stören normalerweise nicht die leichte Verbindung des Moduls. Alle diese Filterarten mit oder ohne Drainageöffnungen können bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Membranfilter unterscheiden sich von anderen Nicht-Membranfiltern durch die Tatsache, daß Membranen eine engere Porengrößenverteilung aufweisen, daß sie mit sehr kleinen Poren gefertigt werden können und daß ihre Struktur monolithisch ist, d. h. die massive Struktur ist permanent gebondet und bildet eine kontinuierliche massive Phase. Demgegenüber sind Nicht-Membranfilter durch Fasern gebildet, die durch mechanisches Ineinandergreifen oder andere Oberflächenkräfte an Ort und Stelle gehalten werden. Je nach dem Porengrößenbereich werden Membranen in eine von drei Kategorien eingeteilt: mikroporöse oder MF-Membranen mit Poren in etwa im Bereich von 0,02 bis 10 μm, Ultrafiltrations- oder UF-Membranen mit Poren, die klein genug sind, um Makromoleküle zurückzuhalten (Molekulargewicht von etwa 1000 bis 10000000 Dalton, Nanofilterungs- (NF) oder Umkehrosmose-Membranen mit Poren, die kleine Moleküle und sogar Ionen zurückhalten können (Molekulargewicht von etwa 10 bis 1000 Dalton).
Membranen sind aus verschiedenen Materialien wie z. B. Polymeren, Metallen, Keramikstoffen, Glas und Kohlenstoff gebildet. Alle diese Membranenarten können bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Membranen sind auch als Halterungsstrukturen für adsorptive Harze verwendet worden. Diese Art von Membranen finden bei adsorptiven Reinigungsprozessen oder als Kombination aus Filter und Reiniger Anwendung. Außerdem sind Membranen auch mit Oberflächen gefertigt worden, die durch die Aufbringung von Spuren chemischer Stoffe (chemical moieties) chemisch modifiziert worden sind, um als adsorptive Medien zu wirken. Ein Beispiel ist in US-A-4 618 533 offenbart. Beide diesen Arten von Membranen können auch bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
Membran-Trennelemente bestehen aus einem Membranfilter und Strömungsdurchgängen stromauf und stromab der Membran. Das Membranfilter kann entweder die Form einer flachen Lage oder einer Hohlfaser aufweisen. Trennelemente, die mit Membranen aus einer flachen Lage gefertigt sind, erfordern die Verwendung von Abstandhaltern, um der Membran eine Halterung zu bieten und um eine Reihe von Strömungsdurchgängen zum Einleiten und Sammeln des Fluids zu und von der Membran zu erzeugen. 5 zeigt eine Schnittansicht eines Flachlagen-Trennelements in einer gefältelten Konfiguration, die aus Strömungsdurchgängen 51 stromauf einer Membran 52 und Permeatdurchgängen 53 stromab der Membran besteht. Demgegenüber sind Hohlfasermembranen selbsthalternd und erfordern daher keine Abstandhalter. 6 zeigt eine Schnittansicht eines Hohlfaser-Trennelements, das zum Sammeln von Permeat im Lumen der Hohlfaser angeordnet ist. Demgemäß sind Zuführdurchgänge 63 durch den Raum zwischen den Hohlfasermembranen 62 gebildet, während Permeatdurchgänge 61 durch das Lumen der Hohlfaser gebildet sind. Um die Hohlfasern abzudichten und dadurch das Volumen stromauf der Membran von demjenigen stromab der Membran zu trennen, müssen Hohlfasern zu einem Hohlfaserbündel zusammengefaßt werden, das auf eine von zwei Arten vorgenommen werden kann. Nach einer Art werden beide Enden der Faser zusammengefaßt, wodurch das Lumenvolumen mit beiden Enden des Bündels in Verbindung treten kann; diese werden doppelendige Hohlfaserbündel genannt. Alternativ kann ein erstes Ende der Faser zusammengefaßt werden, während das zweite Ende abgedichtet wird, wodurch eine Verbindung des Lumenvolumens nur mit dem ersten Ende des Bündels gestattet ist; diese werden einzelendige Hohlfaserbündel genannt. Welche Art von Hohlfaser-Trennelement verwendet wird, hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. In allen Fällen ist es die Zielsetzung der Strömungdurchgänge, ein effizientes Einleiten des Fluids in das Trennelement für die weitere Behandlung durch die Membran und das nachfolgende Sammeln zu gestatten. Auf diese Weise ermöglichen die Strömungsdurchgänge die Aufnahme von großen Membranflächen mit minimaler Behinderung der Strömung und tragen auch zur Bereitstellung einer verbesserten Strömung durch die Membran bei. Die Strömungsdurchgänge sind passiv, d. h, sie ändern die Art oder Zusammensetzung des Fluids nicht und bieten eine im wesentlichen unbehinderte Strömung. Alle diese Arten von Membran-Trennelementen, welche verschiedene Membrankonfigurationen einsetzen, können auch bei der vorliegenden Erfindung benutzt werden.
Es wird nun im einzelnen auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingegangen, wobei 1a eine Schnitt-Seitenansicht einer Ausführungsform zeigt, die besonders geeignet für die Filterung von Flüssigkeiten, wie z. B. Photochemikalien, am Einsatzpunkt bei der Halbleiterherstellung ist. In diesem Fall wird das Filter im Totende-Modus verwendet, und die Membrankonfiguration ist die einer Hohlfaser. Ein Filtermodul 1 umfaßt eine Endkappe 10 mit Be-/Entlüftungs-, Zuführ- und Permeat-Öffnungen 11, 12 bzw. 13, einem Membranelement 14 in der Form von Polyethylen-Hohlfasern von ultrahohem Molekulargewicht, einer zentralen Leitung 15 und einem Gehäuse 16. Zu filternde Flüssigkeit wird in die Zuführöffnung 12 eingeleitet, die mit der zentralen Leitung 15 verbunden ist, welche die gesamte Strömung zur Zuführkammer 17 am Bodenende des Moduls leitet. Aus dieser Kammer wird das Fluid über den Querschnitt des Moduls verteilt und die Richtung umgekehrt, wobei es nach oben und um das Membranelement 14 herum strömt. Die zugeführte Flüssigkeit wird anschließend durch das Membranelement 14 gefiltert und wird in einer Permeatkammer 19 gesammelt, aus der sie durch die Permeatöffnung 13 austritt. In dieser Ausführungsform umfaßt das Modul ein Wegwerfgehäuse 16, das an die Endkappe 10 fusionsgebondet ist, und das Membranelement verwendet ein Einzelende-Hohlfaserbündel, in dem Flüssigkeit von außen nach innen (oder zum Lumen) der Hohlfasermembranen strömt. Das Entlüften von in den Zuführstrom eingeführten Gasen wird bewerkstelligt, indem zunächst die Gasblasen in der Kammer 18 gesammelt werden, worauf die Entlüftung des Gases durch die Öffnung 11 folgt.
Die Pfeile in 1b zeigen das Strömungsmuster innerhalb des Moduls 1, wobei klar die Eliminierung des Totraums angedeutet ist, der typischerweise zwischen dem Membranelement 14 und dem Gehäuse 16 besteht, und zwar durch die kombinierte Wirkung der zentralen Leitung 15 und der Zuführkammer 17. Die Zuführkammer 17 sorgt auch für die gleichmäßige Verteilung des Fluids entlang dem Querschnitt des Gehäuses.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die zentrale Leitung 15 dazu verwendet, die Zuführflüssigkeit umzuleiten und sie an das entgegengesetzte Ende des Moduls 1 zu verteilen. Demgegenüber kann die zentrale Leitung alternativ dazu verwendet werden, den Permeatstrom von einem Ende zu sammeln und ihn zum entgegengesetzten Ende umzuleiten. 2a zeigt ein Beispiel dieser Ausführungsform, die ähnlich derjenigen der in den 1a und 1b beschriebenen ist, außer daß die Funktion der Öffnungen geändert wurde, wobei die Entlüftungsöffnung entsprechend in Fluidverbindung mit der Zuführöffnung steht. Alle Öffnungen sind an der Endkappe 20 gelegen. Zu filternde Flüssigkeit tritt in das Modul 2 durch die Zuführöffnung 21 ein, wobei eine Entlüftung durch die Entlüftungsöffnung 23 vorgesehen ist. Die Flüssigkeit tritt in das Lumen des Hohlfasermembran-Trennelements 24 ein, wird gefiltert und anschließend in der Permeatkammer 27 gesammelt. Von dort wird das Fluid durch die zentrale Leitung 25 zur Permeatöffnung 22 geleitet. Die Pfeile in 2b zeigen das Strömungsmuster in dem Modul, wobei sie klar die Eliminierung des Totraums andeuten, der typischerweise zwischen dem Membranelement 24 und dem Gehäuse 26 besteht, und zwar durch die kombinierte Wirkung der zentralen Leitung 25 und der Permeatkammer 27. Die Permeatkammer 27 sorgt auch für das gleichmäßige Sammeln des Fluids entlang dem Querschnitt des Gehäuses. Die Entlüftung von Gasen, die in den Zuführstrom eingeführt werden, wird durch Sammeln der Gasblasen in der Kammer 28, gefolgt von der Entlüftung des Gases durch die Öffnung 23 bewerkstelligt.
Die 3a und 3b zeigen eine alternative Ausführungsform eines wegwerfbaren Hohlfasermembranmoduls, das in einem TFF-Modus eingesetzt wird und besonders zur Reinigung von Wasser geeignet ist. in dieser Ausführungsform ist das Trennelement ein Hohlfasermembranelement 34 aus UF-Polysulfon, das als doppelendiges Bündel ausgebildet ist, mit einem Flüssigkeitsdurchfluß durch die Membran, der von der Innenseite zur Außenseite der Hohlfaser erfolgt. Zu filternde Flüssigkeit tritt in das Modul 3 durch die zentrale Öffnung 32 ein, die mit der zentralen Leitung 35 verbunden ist, welche die Strömung der Zuführflüssigkeit zum Bodenende des Moduls leitet, um der Kammer 37 zugeführt zu werden. von dort kehrt die Flüssigkeit ihre Richtung um und strömt nach oben zur Innenseite der Hohlfasern, von wo aus sie teilweise durch die Wände der Hohlfasern gefiltert wird. Das Permeat wird in der Kammer 38 gesammelt (die "Hülsenseite" des Hohlfaserbündels), von wo es durch die Öffnung 31 austritt. Die Retentatströmung strömt im Hohlfaserlumen nach oben und wird am oberen Ende des Hohlfaserbündels in einer Retentatkammer 39 gesammelt, und tritt anschließend aus der Öffnung 33 aus. In dieser Ausführungsform ist das Modul aus drei Teilen gefertigt, d. h. der oberen Endkappe 30, der unteren Endkappe 36a und der zylindrischen Hülse 36b, die alle schmelzgebondet sind. Die Pfeile in 3b zeigen das Strömungsmuster im Modul, wobei klar gezeigt ist, wie die Kammer 37 für die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit entlang dem Querschnitt des Gehäuses sorgt, wodurch ein TFF-Modul bereitgestellt wird, von dem sich alle aktiven Verbindungen an nur einem Ende befinden. Diese Fähigkeit, die durch diese Erfindung einzigartig bereitgestellt wird, macht die Gestaltung von TFF-Systemen wesentlich einfacher und die Installation von TFF-Modulen viel leichter, ohne in irgendeiner Weise die Leistung des TFF-Moduls zu beeinträchtigen. In einem weiteren Beispiel zeigt 3c die gleiche Ausführungsform, jedoch mit umgekehrten Zuführ- und Retentatöffnungen.
Die 4a und 4b zeigen Seitenansichten einer noch anderen Ausführungsform dieser Erfindung. Bei dieser speziellen Ausführungsform ist ein wegwerfbares Modul 4 vorhanden, das im Totendemodus betrieben wird, aus einem Gehäuse 46, das mit einer Endkappe 40 schmelzgebondet ist und ein gefälteltes Membranelement 44 verwendet, welche die zentrale Leitung 45 umgibt. Das Modul besteht aus einer Endkappe 40 mit Be/Entlüftungs-, Zuführ- bzw. Permeatverbindungen 41, 42 bzw. 43 sowie ein Membranelement 44 in der Form einer Flachlagenmembran aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht, die gefältelt wurde, und die die zentrale Leitung 45 und das Gehäuse 46 umgibt. Zu filternde Flüssigkeit wird in die Zuführöffnung 42 eingeleitet, die mit der zentralen Leitung 45 verbunden ist, welche die gesamte Strömung zur Zuführkammer 47 zum unteren Ende des Moduls richtet. Von dort wird die Flüssigkeit über den Querschnitt des Moduls verteilt und die Richtung umgekehrt, wobei sie nach oben und um das Membranelement 44 strömt. Die Zuführflüssigkeit wird anschließend durch das Membranelement 44 gefiltert und in der Permeatkammer 49 gesammelt, von wo aus sie durch die Permeatöffnung 43 austritt. Die Pfeile in 4b zeigen das Strömungsmuster in dem Modul, wobei klar die Eliminierung des Totraums angegeben ist, der typischerweise zwischen dem Membranelement und dem Gehäuse besteht, und zwar durch die kombinierte Wirkung der zentralen Leitung und der Zuführkammer 47. Die Zuführkammer 47 sorgt auch für die gleich mäßige Verteilung der Flüssigkeit entlang dem Querschnitt des Gehäuses 46. Eine Entlüftung von in die Zuführströmung eingeleiteten Gasen wird bewerkstelligt, indem zunächst die Gasblasen in der Kammer 48 gesammelt werden, worauf die Entlüftung des Gases durch die Öffnung 41 folgt.
Alle vorhergehenden Beispiele stellen die Bedeutung der Bereitstellung einer zentralen Leitung als Teil eines Membranfiltermoduls dar, welche die gesamte Flüssigkeitsströmung von einem Ende des Moduls zum gegenüberliegenden Ende richtet. Auf diese Weise strömt die Flüssigkeit, obwohl sie an einem Ende des Moduls eingeleitet und gesammelt wird, in dem Modul, als ob sie an einem Ende eingeleitet und am anderen Ende gesammelt würde, wodurch ein sehr günstiges Strömungsmuster ausgeführt wird, welches das Vorhandensein von Toträumen eliminiert und eine gleichmäßige Verteilung oder Sammlung der Flüssigkeit bietet.
Die Beispiele stellen zwar die Vielseitigkeit der vorliegenden Erfindung sowie ihre wesentlichen Merkmale dar, es ist jedoch anzumerken, daß es zahlreiche Variationen gibt, die von Zeit zu Zeit gegenüber den hier vorgestellten vorzuziehen sein können. Beispiele von Variationen, die ebenfalls von dieser Erfindung abgedeckt werden sollen, sind: UF- und RO-Membranen, spiralförmig gewickelte und Scheibenfilterelemente, Membranen, die aus einer beliebigen Anzahl anderer Polymere gefertigt sind, wie z. B. Polytetrafluorethylen, Polycarbonat, Polypropylen, Polyäthersulfon und Polyvinylfluorid sowie Membranen aus rostfreiem Stahl und aus Keramikstoffen, Membranen mit aktiven Adsorptionsmitteln, die in der Struktur der Membran eingeschlossen sind oder an den Membranoberflächen angebracht sind (z. B. Ionenaustauschharze, Aktivkohle, Liganden für spezifische Lösemittel), mit Epoxyharz abgedichtete Filterelemente, Verbindungsöffnungen unter rechten Winkeln zum Körper des Gehäuses sowie Verbindungsöffnungen, die nicht parallel zueinander sein können. Schließlich ist anzumerken, daß zwar auf die Bedürfnisse der Halbleiterindustrie Bezug genommen wurde und sogar auf einige spezifische Anwendungen innerhalb dieser Industrie, daß aber auch andere Industrien ähnliche Anforderungen stellen können, wie z. B. die Nuklearindustrie, die biologische, die biotechnische und pharmazeutische Industrie, bei denen Sicherheit, Platzeinsparung und einfacher Filteraustausch ebenfalls entscheidend sind.

Claims

Fluidtrennmodul mit: einem Gehäuse (10,16,20,26) mit ersten und zweiten Enden, einem Trennelement (14,24), das in dem Gehäuse enthalten ist, um das Innere des Gehäuses in erste und zweite Volumen (17,19,27,29) zu unterteilen, wobei das Trennelement ein mikroporöses, ein Ultrafiltrations- oder ein Umkehrosmose-Membranelement sowie eine Reihe von Strömungsdurchgängen stromauf und stromab des Membranelements aufweist, wo durch ein in eines der ersten und zweiten Volumen (17,19,27,29) eingeleitetes Fluid durch das Trennelement (14,24) behandelt und zumindest teilweise am anderen der ersten und zweiten Volumen (17,19,27,29) gesammelt zu werden vermag, einem ersten, einem zweiten und einem dritten Verbinder (12,13,11), die an dem ersten Ende zum Einleiten von Fluid in das Innere des Gehäuses und zum Entfernen von Fluid aus dem Innern des Gehäuses gelegen sind, einer zentralen Leitung (15,25), die an dem ersten Verbinder (12) angebracht ist und sich longitudinal innerhalb des Gehäuses zu dem zweiten Ende hin erstreckt, um die gesamte Strömung von dem ersten Verbinder (12) zu dem zweiten Ende hin oder umgekehrt zu leiten, wobei das zweite Ende in Fluidverbindung mit dem ersten Volumen (17,27) steht, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Volumen (19,29) in Fluidverbindung mit dem zweiten Verbinder (13) steht und eine zu dem zweiten oder dritten Verbinder (13,11) hin geneigte Innenfläche aufweist, und wobei die Konfiguration des Volumens innerhalb des Moduls derart ist, dass das gesamte Flüssigkeitsvolumen in dem Modul ausgetauscht zu werden vermag, wenn während des Betriebs Flüssigkeit durch das Modul strömt, wobei im wesentlichen ein Null-Totvolumen geliefert wird.
Modul nach Anspruch 1 mit Mitteln zum tangentialen Strömenlassen des Fluids über die Membran hinweg.
Modul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Membran die Form einer Hohlfasermembran aufweist.
Modul nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Membran die Form einer flachlagigen Membran aufweist.
Modul nach Anspruch 4, wobei die flachlagige Membran ein die zentrale Leitung umgebendes gefaltetes Patronenfilter ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei je de der Reihen von Strömungsdurchgängen im wesentlichen unversperrt bzw. nicht blockiert ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer Kammer an dem zweiten Ende zum Sammeln des Fluids und zum Verteilen desselben innerhalb des Gehäuses zum ersten Ende hin.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Membran aus Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht gebildet ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Membran aus Polyethersulfon oder Polysulfon gebildet ist.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Membran Mittel zum Absorbieren bestimmter in dem Fluid enthaltener Bestandteile aufweist.
Modul nach Anspruch 10, wobei die Membran darin eingebettete Harzpartikel hat.
Modul nach Anspruch 10, wobei die Membran mit chemischen Anteilen oberflächenmodifiziert ist.