KR100492026B1 - 과열 증기를 이용한 건조 장치 - Google Patents

Abstract

증기 건조 시스템에서, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)과 같은 용매는 장치안에 적재되는 공정 부품들로부터 물 및 기타의 오염물을 제거하는 수단을 제공하기 위해 끓여지고 응축된다. 부품들은 자동화된 리프트 시스템을 통해 장치안으로 도입된다. 증기구역에 들어오면 곧 온도 차이에 의하여 용매가 부품 및 설비위에 응축되고 오염물을 치환하게 된다. 이러한 응축물/오염물 폐수는 중력에 따라 경사지고 온도가 제어되는 수거판을 통해 하부의 완충용액 탱크로 배출된다. 부품위에서 증기 응축이 중단된 후, 하나 혹은 그 이상으로 분리된 끓임 용기와 분리된 증기 열 교환기에 의해 안정화된 구역에서 만들어진 과열 증기를 이용하여 건조가 수행된다. 부품위에 남아 있는 어떠한 액체 용매도 증기 구역에서 플래쉬-건조되고, 이로써 부품은 세정되고 건조되어 진다. 본 발명은 작동, 유휴 및 대기상태동안 컴퓨터가 장착된 PLC를 제어 공정 변수, 커버 메카니즘, 수송 메카니즘, 안정성 특징부와 통합(incorporate)시킨다.

Description

과열 증기를 이용한 건조 장치{superheated vapor dryer device}

본 발명은 과열 증기를 이용한 건조장치와, 과열(superheat)을 사용하여 증기를 포화온도 이상으로 가열함으로써 부품을 세정 및 건조하는 공정에 관한 것이다. 특히 본 발명은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol) 및 이와 등가의 낮은 발화점을 갖는 용매를 이용하여 물, 기타 오염물질을 부품으로부터 완전히 제거하는데 사용되는 증기건조기에 관한 것이다. 증기 건조 장치는 다양한 수, 기하학적 구조, 표면적을 갖는 부품의 대규모 생산에 있어서 온도의 정교한 조절을 가능하게 한다.

공정부품과 구성품으로부터 오염물질을 제거하기 위한 기술분야에는 다양한 유형의 증기탈지(vapor degreasing) 및 증기건조 장치와 공정이 알려져 있다. 상세하게는 탈지기(degreaser)는 탱크(tank)나 도관(vessel)안에 한정된 증기 용매 혹은 액체 용매 용액에 노출시킴으로써 기계적인 부품이나 주로 금속성의 이와 유사한 제품으로부터 기름때 및 외부물질을 제거하도록 설계된 기계를 포함한다. 일반적으로 탈지기에 사용되는 용매로는 부품이나 관련된 산업공정으로부터 지방 및 기름을 제거하는 폴리할로겐화 탄화수소(polyhalogenated hydrocarbons)가 포함된다. 그러나 그러한 오염물질을 제거하기 위해 과열을 사용하는 것은, 탈지기와는 달리 대부분의 세정 및 건조가 수행되는 증기 구역(vapor zone)을 설정하고 유지하기 위한 장치 구성품간의 미묘한 평형을 필요로 한다. 종래에는 본 발명에서 수행된 것과 같은 방식으로 열 평형, 열 부하(heat load) 및 부품의 처리량을 최적화하는 장치가 거의 없었다. 그러나 원칙적으로 최소한 알려진 장치 중에는 다음과 같은 점들이 관련이 있다고 여겨진다.

일반적으로 증기 세정기와 건조기는 증기 구역에 삽입되는 부품을 세정 및/또는 건조하는데 사용되는 가열된 증기를 만들기 위해 다량의 용매를 끓이는 다양한 방법들을 이용한다. 이러한 기술 명세서들은 석영 탱크, 전기 히터 및 적재된 부품 아래에서 직접 끓는 용매가 생성되는 다른 구성품들의 사용을 명시하기도 한다. 부품들은 수거판(drip tray)에 의하여 끓는 용매(끓임 용기, boil sumps)로부터 분리되기도 한다. 이러한 장치 및 유사장치들에서의 공통적인 문제점은 부품으로부터 수거되었던 물이 장치 바닥으로 적하될 때 재분출(reflashing)되는 것과 관련되어 있다. 이것은 장치의 비효율과 재오염 문제를 야기한다.

또한 기존의 증기 건조기들은 부품의 적재량이 많을 경우 증기 구역이 붕괴하기 쉽다. 이러한 '작업 충격'('work shock')은 약간 냉각된(sub-cooled) 온도에서 큰 질량 및/또는 큰 표면적을 갖는 공정부품이 증기구역안의 사용 가능한 용매 증기를 급속히 응축시킬 때 일어나는데, 이로 인해 주변의 공기가 빈 공간을 채우기 위해 건조기 안으로 유입되게 된다. 이러한 현상은 부품의 잠재적인 오염을 일으키며, 바닥으로부터 증기층(vapor blanket)이 다시 설정될 때 비균일한 가열 및 증기 헹굼(vapor rinsing)을 유발하고, 증기 구역이 회복되는 동안 공정순환시간을 불필요하게 늦추기 때문에 바람직하지 못하다.

또한 기존의 증기 건조기는 응축 구역안의 공기-증기 경계선보다 위쪽에 있는 상부 냉각 구역에서 부품의 건조를 수행해 왔다. 이와 같은 유형의 장치에서는 공정부품들이 헹굼의 최종단계에서 증기구역을 벗어날 때 부품들 위에 남아 있는 액체 용매가 얇은 막을 형성하게 되는데, 이를 '드래그아웃'('dragout')이라 한다. 이러한 상부 냉각 구역에서, 뜨거운 부품은 즉시 증발을 통해 상부 냉각 구역의 상대적으로 차가운 공기로 액체를 내보내고, 이를 통해 부품들이 장치로부터 회수되기 전에 부품의 완벽한 건조가 가능하도록 한다. 그러나 이러한 방법은 이후에 장치의 환기배출구에 의해 용매 증기가 제거되거나 또는 장치의 꼭대기를 통해 증기가 방출되어 계속적으로 용매 증기의 손실이 일어나기 때문에 바람직하지 못하다.

이러한 그리고 그밖의 문제점들은 하기의 과열 증기 건조기술 및 장치의 사용에 의하여 극복된다.

도 1은 증기 탈지 기구의 단면도(vertical view)를 도식화한 것이고,

도 2는 다른 증기 탈지 기구의 단면도를 도식화한 것이며,

도 3은 또다른 증기 탈지 기구의 단면도를 도식화한 것이고,

도 4는 본 발명의 과열 증기 건조 장치의 첫 번째 실시예의 입면도(elevation view)를 도식화한 것이며,

도 5는 본 발명의 과열 증기 건조 장치의 두 번째 실시예의 입면도를 도식화한 것이고,

도 6은 부분적인 액체 흐름 경로를 포함하는, 본 발명의 과열 증기 건조 장치의 세 번째 실시예의 입면도를 도식화한 것이며,

도 7은 본 발명의 도 6의 공기조절장치를 도식화한 것이고,

도 8은 부분적인 액체 흐름 경로를 포함하는, 본 발명의 과열 증기 건조 장치의 세 번째 실시예의 입면도를 도식화한 것이며,

도 9는 본 발명의 과열 증기 건조 장치의 세 번째 실시예의 측면에서 본 입면도를 도식화한 것이고,

도 10은 본 발명의 과열 증기 건조 장치의 세 번째 실시예의 끝(end)에서 본 입면도를 도식화한 것이며,

도 11은 본 발명의 과열 증기 건조 장치의 세 번째 실시예의 끝(end)에서 본 입면도를 도식화한 것이고,

도 12는 본 발명의 과열 증기 건조 장치의 세 번째 실시예의 위에서 본 입면도를 도식화한 것이며,

도 13A와 도 13B는 각각 커버구조의 평면도와 측면도를 나타낸 것이고,

도 14는 컴퓨터 장치에서 제공되는 프로그램 가능 논리 제어기(programmable logic controller)의 고차원 블록도이며,

도 15A와 도 15B는 건조장치의 고차원 프로그램 논리을 나타낸 것이다.

본 발명은 과열 증기 건조 장치와 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA) 및 등가의 낮은 발화점을 갖는 다른 인화성 용매가 끓여지고 응축되어 장치/기구에 적재되는 공정부품으로부터 물과 다른 오염물질을 제거하는 정밀수단을 제공하는 시스템을 포함하는 공정 또는 장치로 구성된다. 바람직하게는 부품들은 기구에 삽입되는데, 보다 바람직하게는 자동화된 리프트 시스템(lift system)을 통해 한 묶음(batch)으로 삽입된다. 증기구역으로 삽입되자마자 용매는 온도차이에 의해 부품 및 설비에 응축되고 이에 의해 오염물질이 치환된다. 이러한 응축물/오염물 폐액은 중력에 따라 경사지고 온도가 조절되는 수거판(drip or collection tray)을 통해 하부의 완충용액 탱크로 배출된다. 부품위에 증기의 응축이 끝나면 하나 혹은 그 이상으로 나뉜 끓임 용기(offset boil sumps)와 분리된 과열 증기열 교환기에서 생성된 과열 증기를 사용하여 건조가 행해진다. 부품에 남아있는 어떠한 액체 용매도 증기구역에서 발화건조(flash-dried)되며, 이로써 부품은 세정 및 건조되어 진다.

본 발명의 특이한 장점 및 특성으로는 부품의 빠른 건조와 용매소모의 감소가 있다. 이것은 부분적으로는 붕괴되지 않는 안정적인 증기구역을 유지하고 이를 통해 건조 순환 시간의 단축과 처리량의 증가를 가능하게 하는 것에 기인한다. 뿐만 아니라 유익하게는 물/IPA가 증기로 재배출되는 것을 최소화하기 위해 온도가 조절되는 수거판(collection tray)이 제공된다. 더욱 상세하게는 이중의 슬라이딩 커버(dual sliding covers)가 공기-증기 경계의 교란을 최소화함으로써 증기의 손실을 감소시킨다. 이중 슬라이딩 커버의 아래쪽은 집합과 배출을 위해, 삽입되는 부품으로부터 부품이 탱크안의 내용물을 오염시키기 전에, 액체를 모으고 경로를 분리(channel away)하는 구조로 되어 있다.

본 발명은 음반 재생 미디어(disk drive media), 평면 계기판(flat panel displays), 반도체 회로기판(semiconductor wafers), 정밀기계장치, 광학 기구, 의료 장치와 그 구성물 및 이와 유사한 제조부품으로부터 물을 정밀하게 제거하는데 제한없이 응용될 수 있다.

과열을 이루는 데 있어서 결정적인 것은 열을 투입하는 양이 아니라 열을 투입하는 위치이다. 일단 장치가 포화되면, 온도와 압력은 더 이상 독립적인 성질이 아니게 되고, 액체에 추가투입되는 에너지는 끓는 속도는 증가시키지만 증기온도는 높이지 못한다. 이러한 현상은 끓는 물주전자에 대해 스토브열을 높이는 것에 의해서도 쉽게 관찰될 수 있다 - 즉 물은 빨리 끓지만 더 이상 뜨거워지지는 않는다. 그러나 만약 동일한 압력에서 열이 증기상에 직접 가해지면 증기온도는 과열상태까지 증가하게 된다.

생산부품으로부터 액체가 제거된 다음, 부품은 과열된 증기에 노출된다. 열이 부품에 전달됨에 따라 남아 있는 모든 액체 용매는 끓어서 증기구역으로 제거되고 세정 및 건조된 부품이 장치에 나타나게 된다. 용매 증기는 장치 프리보드(freeboard)안의 일차 응축기에 수용된다. 올바르게 설계된 장치에서는 냉각 코일이 증기로부터 여분의 감지할 수 있는 열(sensible heat)을 쉽게 제거하여 용매를 포함하도록 한다.

이제 포화 증기 구역을 사용하는 재래의 증기 탈지기를 살펴보면 다음과 같다. 열이 액체상에 단독으로 투입되기 때문에 부품은 용매의 끓는 점 이상으로 가열될 수 없으며, 부품은 모든 증기 헹굼 단계의 마지막에서 얇은 액체막을 갖게 된다. 이 액체는 땀이 증기탕 안에서 인간의 피부로부터 건조되는 정도로밖에 포화 증기 구역에서 증발되지 못한다. 따라서 포화장치내에서는 완전한 건조를 이루는 것이 물리적으로 불가능하다.

다음, 증기 탈지기에서 건조기부분을 살펴보면, 부품이 증기 구역에 들어감에 따라 부품들은 프리보드 구역 안의 보다 차가운 공기에 들어가게 된다. 부품의 온도가 더 높기 때문에 액체 용매는 공기중으로 빨리 떨어져 나가고 부품은 마치 그것이 과열 장치안에 있는 것처럼 건조되게 된다. 그러나 본 발명과의 차이점 중 하나는 이러한 플래쉬 건조(flash drying)방법은 매 순환마다 설비(fixture) 및 용기(basket)를 포함하며 불필요한 용매의 방출을 일으킨다는 점이다.

과열 장치의 건조시간은 부품의 기하학적 구조에 따라 재래의 탈지기에서보다 수 배 빠를 수 있다. 이것은 건조단계의 최종 온도가 더 높기 때문이고 결국 더 많은 에너지가 증발되는 용매로 전달될 수 있다. 전형적인 장치는 20°F에서 40°F의 과열상태에서 작동되지만 용매의 끓는 점 이상인 50°F에서 60°F의 높은 온도에서도 작동될 수 있다. 이렇게 함으로써 평균 10 파운드의 부품 적재시 건조시간이 2-3분에 불과하게 된다(회사내부의 실험에 의해 확인됨).

과열 증기 건조기의 응용분야는 의학, 전기, 항공, 광학 및 정밀기계부품을 포함하는데 이는 표준적인 증기 탈지기의 경우와 어느 정도 유사하다. 이 기술은 인화성 및 비인화성 용매 모두에 쉽게 응용될 수 있다 - 즉 그것이 끓기만 한다면 과열될 수 있다. 대표적인 용매로는 이소프로판올(isopropanol), 사이클로헥산(cyclohexane), 아세톤(acetone), HCFCs, HFEs, 메틸렌 클로라이드(methylene chloride)와 그밖의 많은 다른 물질이 포함된다. 인화성 용매에 있어서는 과열의 상승된 온도가 용매의 자연발화 온도보다 낮다. 예를 들어 IPA는 181°F에서 끓는다. 심지어 50°F 과열도 자연발화온도인 750°F보다 훨씬 낮다.

상기한 바와 같이 과열 증기의 생성은 필요한 열을 직접 증기상으로 보내기 위한 이차적인 열 교환기를 필요로 한다. 이와 관련된 문제는 용매증기의 열 전달 계수(heat transfer coefficient, U-factor)가 해당 액체의 열 전달 계수의 100분의 1 정도로 작아질 수 있느냐는 점이다. 대류 열 전달식을 사용하여 나타내면 Q = UA(T_h-T_c)로 나타낼 수 있다(여기서, Q = 열 전달 속도(rate)(Btu/hr), U = 전체 열 전달 계수(Btu/hr/ft²/20°F), A = 열 전달 면적(ft²), T_h = 열원 온도(heat source temperature, 20°F), T_c = 열 처리 장치 온도(heat sink temperature, 20°F).

여기서 우리는 동일한 열원에서 같은 열 전달이 일어나고 동일한 정도의 과열이 되기 위해서는 열 교환기의 표면적이 100단위씩 증가해야 함을 알 수 있다. 또한 장치를 통과하는 용매의 추진력(driving force)은 용매의 끓음 및 응축에 있다. 따라서 끓는 속도는 증기가 과열장치에 머무는 시간을 조절한다. 끓는 속도가 증가함에 따라 증기가 과열장치를 너무 빨리 통과하여 열이 알맞게 전달되지 못하므로 증기구역은 결국 완전히 포화된다. 과열상태를 유지하기 위하여 끓는 속도를 낮게 해야하는 필요성은 증기 탈지의 중요한 특징 중 하나인 역류(reflux)와 모순된다. 용매의 높은 전환속도는 가용성 오염물질을 부품이 투입되지 않는 끓임 용기(boil sumps)에 농축함으로써 담금장치를 깨끗하게 유지하는데 매우 중요하다. 이러한 현상은 C_t = C_oe^(-Rt/V) 의 지수적 관계를 따른다(여기서, C_t = 시간 t에서의 오염물질의 농도, C_o = 초기 농도, R = 제거(역류) 속도 (gal/hr), t = 시간(hr), V = 탱크 부피(gal)).

예를 들어 10 gal/hr의 속도로 끓고 응축된 10 갤론(galon)의 담금 탱크는 1시간 후에는 63%가 세정되며, 3시간 후에는 95%가 세정된다. 가용성 오염물질은 끓임 용기에 농축된다. (도 2 참조)

역류 속도(reflux rate)에 관한 또다른 중요성은 차가운 부품이 증기구역에 삽입될 때 증기층(vapor blanket)이 유지되도록 충분한 열이 존재한다는 것이다. 이것은 '작업 충격'이라고 알려져 있으며, 열 전달 평형에 또다른 다양성을 부여한다. 만약 가열이 부적절하다면 증기층은 붕괴되고, 공기가 혼입되며, 공기가 포함된 용매 증기는 증기층이 회복될 때 장치밖으로 사라질 것이다. 또한, 끓임 용기가 가용성 오염물질로 가득차면 용매의 끓는 점이 상승하여 용매를 끓이기 위해 추가적인 열이 요구되게 된다. 과열장치(superheater)의 조절은 생산환경에서 역류와 과열간의 정교한 평형이 다루어짐에 따라 보다 복잡해질 수 있다.

요즘에는 환경, 건강, 안전 및 용매소비의 관점에서 보다 압축된(tighter) 용매 장치가 요구되고 있다. 과열 장치가 제공하는 증가된 용량으로 인해 이러한 장치 중에서 과열 장치가 가장 뛰어난 선택이 되고 있다. 예를 들어 과열 증기 건조기는 독성 공기 오염물질의 국가적 배출 표준(National Emmissions Standards for Hazardous Air Pollutants, NESHAP):할로겐화 용매의 세정에 있어서 조절기술의 하나로 이용된다. 예를 들면 회분식 증기 장치(용매/공기 경계 < 13ft²)에 있어서 10개의 가능한 조절방식 조합 중 네 개가 과열의 이용을 포함한다. 과열장치는 일차적으로 막형성('dragout')이 적기 때문에 이로부터의 손실을 조작하는 것은 포화 탈지기의 경우에 비해 3분의 1정도로 가능하다.

과열은 부품을 건조시키는 유일한 방법인 것은 아니지만, 용매 장치에 있어서 하나의 선택이 될 수 있다. 부품이 용매의 끓는점보다 높게 가열되기 때문에 액체는 거의 모든 부품의 기하학적 구조에 대해 발화되어 제거될 수 있다. 전통적인 증기 탈지기(포화 장치)의 경우 증기구역에서는 건조가 물리적으로 불가능하고, 따라서 프리보드(freeboard)로의 막형성('dragout')이 발생한다. 이들 증기를 포획하고 재생하는 것은 확실히 가능하다. 그러나 추가적인 용량이 고려되어야 한다. 과열 증기 건조는 용매가 들어있는 세정 장치안에 용매를 가두어 둠으로써 용매장치 내에서 부품을 간단하고 저렴하게 건조하는 방법을 제공한다.

증기 건조 장치 분야에는 많은 문제점이 존재한다. 이러한 문제점 중 일부는 앞서 이미 기술된 바와 같다. 다른 문제점들은 어떠한 종류의 설계로 원하는 업무를 수행함에 있어 기계적인 혹은 열역학적인 이유에서 기인하는 기본적인 불가능과 관련되어 있다. 따라서 본 발명의 과열 증기 건조 장치 및 기구들은 보다 유능하고 민감한 가열 및 조절 장치에 의해 이러한 많은 기술적인 문제점을 극복하도록 설계되어 진다. 이러한 장치들은 다양한 열 부하에 빨리 반응할 수 있고, 안정적이며 효율적으로 과열 증기 구역을 유지하는 다양한 수단을 갖고 있다.

공지문헌들이 과열 증기 건조에 대해 언급하고 있으나, 실제로 적용하기에는 명백한 결점들이 존재한다. 예를 들어 한 장치는 용매 증기를 용매의 끓는점 이상으로 높이기 위해 상부 탱크 벽을 가열하는 방법을 이용한다. 이 방법은 그럴 듯 하지만, 적당한 부품의 건조를 위해 요구되는 과열 수준을 만드는데 있어서 상대적으로 비효율적이다. 도 1 내지 도 3은 공지의 과열 탈지 장치설계를 보여주는데 각각은 다양한 근본적인 단점을 갖고 있다. 도 1과 도 2에서 이 장치들은 먼저 부품을 담금조(38, 44, 46)에 침지시킨 다음, 과열된 증기(18, 26)에서 부품을 건조시키는 침지 세정 기구로서 설계되어 있다. 도 3에서 보여지는 장치는 사전의 침지단계를 명시하지 않고 단지 증기구역에 놓인 부품을 세정하는 과열 증기에만 의존하고 있다. 각각의 경우에 있어서 도면은 부품이 장치에 삽입되는 수직위치로부터 나뉘어져 있는, 세정 증기를 만드는 용매 끓임 용기 (12, 48, 56)의 형태만을 보여줄 뿐이다. 또한 각 도면은 끓임 용기로부터 방출되는 증기가 과열 코일 또는 열 발생원 (24, 50, 58)을 통과하도록 되어 있는 일정한 경로에 유지될 수 있도록 설계된 방해판(baffle) 배열(42, 52, 60)을 보여준다.

엄밀히 비교하면, 도 4에 도식화하여 나타낸 과열 증기 건조기(100)는 전체 회분식 정밀 세정 조작을 조절하는 공정뿐 아니라 가열, 세정 및 건조에 있어 더욱 진보된 장치이다. 증기 건조 장치(100)는 부품이 기계안에 놓였을 때 용매의 증기응축에 의해 공정부품으로부터 물 및 기타의 오염물질을 제거하도록 설계되었다. 그 후 건조는 과열 증기 건조를 통해 이루어진다. 전체 열 전달 계수(U-factor)에 있어서 액체 용매와 그 증기간의 커다란 차이 때문에, 충분한 열을 증기상으로 직접 전달하기 위해서는 앞서 알려진 장치에서보다 대단히 큰 표면적을 갖는 이차적인 열 교환기를 사용하는 것이 바람직하다.

세정되어야 하는 부품과 설비는 먼저 다운 수거판(set-down tray)에 놓여지거나 도 6과 도 11에서 보여지는 후크(hooks)에 매달려지는데, 바람직하게는 순환단계의 초기에 자동화된 리프트 시스템을 이용하여 장치내로 삽입되는 것이 좋다. 연속적인 용매 증기층이 만들어지고, 이것은 열원에 의하여 하나 혹은 그 이상으로 나뉜 끓임 용기(106, 108)안에 유지된다. 약간 냉각된(끓는점 이하) 부품은 증기구역에 삽입되며 증기는 즉시 그 위에 응축되어 액체막을 제공하고, 이 액체막은 중력에 의해 부품으로부터 물 및 오염물질을 배출시킨다. 순환단계의 초기에는 추가적인 에너지가 끓임 용기에 빠른 속도로 제공되는데, 이는 증기발생속도를 증가시켜 부품이 충분히 데워질 때까지 초기의 빠른 응축을 극복하기 위함이다. 부품이 증기구역에 남아 있는 동안 온도는 점진적으로 포화상태에 근접하게 되며, 부품과 증기구역사이의 증발과 응축 속도가 평형에 도달함에 따라 응축은 멈추게 된다. 각 끓임 용기 위에 있는 이차적 열 교환기(112)는 끓임 용기의 열원에 비해 큰 표면적을 갖고 있는데, 증기상으로 직접 추가적인 에너지를 전달하여 증기상의 온도를 끓는점 이상(과열상태)으로 올려준다.

끓임 용기 열원의 표면적에 대한 과열장치의 표면적의 비율은 1:1보다 큰 것이 바람직하며, 보다 바람직한 비율은 2:1보다 큰 것인데 상한은 다양한 장치 변수와 제어 소프트웨어 알고리즘에 따라 달라진다. 그밖의 덜 알려진 현상은 물론, 비율을 결정하는데 고려되어야 할 사항 중 일부가 앞서 언급되었다. 예를 들면 부품의 크기와 그들의 삽입온도는 조작의 성공 또는 실패를 결정하는 요인이 된다. 그러므로 본 발명의 장치(100)는 부품을 장치에 삽입하기에 앞서 이를 약간 냉각(sub-cooling)시키는 수단을 제공한다. 하나의 실시예로서, 약간 냉각시키는 과정은 상온에서 탈이온화(deionized)된 물에 침지하는 과정으로 이루어진다.

또다른 관심사는 오염된 응축물(condensate)의 배출문제이다. 이것은 초기에 부품으로부터 배출된 물/용매 혼합물이 부품을 세정하는데 이용되는 것과 동일한 증기경로에 의해 가열되는 수거판(drip tray) 또는 유사한 수집 기구(collection tray)와 접촉함으로써 유발된다. 기존에 알려진 장치들에서 이 수거판은 온도 조절기가 없으므로, 끓는점에서 끓임 용기로부터 올라오는 증기와의 계속적인 접촉에 의해 용매 포화(끓는) 온도(예를 들면 IPA에 있어서는 180°F)로 남아 있다. 용매 증기가 헹굼과 물 오염의 제거를 위해 부품위에 응축됨에 따라 이것은 공비혼합물(azeotrope)(IPA에 있어서는 12.6 중량% 물에 달함)을 형성하고, 혼합물의 끓는점을 낮춘다 (예를 들면 물/IPA 혼합물에서는 176°F). 이러한 공비혼합물은 중력에 의해 부품으로부터 배출되고, 하부의 180°F 수거판과 접촉하게 된다. 이와 같은 설계는 물/IPA 공비혼합물이 증기상으로 재배출되는 것이 가능하도록 하며, 그럼으로써 공정부품위로 물이 다시 축적되고 이로 인해 최종 산물에 있어서 가능한 결점들이 유발된다.

본 발명에서는 물/용매 혼합물의 끓는점 약간 아래로 온도를 유지함으로써 액체가 증기로 재배출되는 것을 막는 온도 조절 수집판 표면(121)을 사용하여 이러한 기술적인 문제를 해결한다. 바람직한 온도차이는 최소한 사용되는 용매의 끓는점보다 아래로 5-10°F 정도이어야 한다. 그 다음 액체는 중력에 따라 하부의 완충용액 탱크(125)로 직접 배출되는데 그럼으로써 재배출(reflashing)을 억제한다. 이때 수거판의 경사는 완충용액 탱크로의 전달 시간이 최소화될 수 있도록 급격한 경사를 이루어야 한다. 하나의 실시예로서 약 10°의 경사가 성공적으로 사용되었다. 그러나 다른 경사도도 특별한 장치설계의 특성에 따라 가능하다. 또한 경사도는 오염물을 포함한 응축물이 중력에 의해 침전되는 것을 촉진할 수 있도록 기울이는 것이 바람직하다. 물-용매 혼합물은 완충용액 탱크(125)로부터 외부의 폐수 용기로 퍼내어 진다. 끓임 용기의 구성 용매도 마찬가지 방법으로 외부의 깨끗한 용매 저장고(reservoir)로부터 장치 안으로 넣어진다.

상기한 특성에 부가하여 도 4는 끓임 용기에 열원을 제공하는 하나의 수단으로서 가열 코일(133)과, 증기구역(145)을 형성하도록 설계된 구역의 상부에 배열되는 응축 코일(138)을 보여준다. 하나의 실시예로서 슬라이딩 출입구(149)가 열 교환과 용매 손실을 보다 잘 조절하기 위해 제공된다.

앞서 기술된 바와 같이 이차적 열 교환기와 함께 과열장치라고 불리는 하나 혹은 그 이상으로 나뉜 끓임 용기에 의해 증기가 직접 끓는 액체위에 생성된다. 하나의 끓임 용기를 갖는 과열 증기 건조기를 실시예로서 도 5에 나타내었다. 복수개의 끓임 용기 실시예는 도 4, 6, 8, 11 및 12에 나타내었다. 두 개로 나뉜 끓임 용기(dual offset boil sumps)의 경우, 용기사이의 균일화 라인(equalizing line)(163)이 압력과 액체 높이(level)의 차이를 제거한다. 균일화 라인(163)은 증기 층의 본래의 상태를 유지하기 위해 본 발명의 다른 기구 또는 구조들과 함께 사용된다. 이것은 본 발명의 많은 중요한 요소 중 하나이다. 특히 안정한 증기층을 유지함으로써 부품은 잔유 오염물질 없이 완전하게 세정되고 건조된다. 보다 상세하게는, 두 개로 나뉜 끓임 용기는 적재되는 부품을 완전히 밀봉할 수 있는 증기층을 제공함으로써 동시에 모든 면에서 전체 표면적을 완벽하게 덮을 수 있다. 고에너지 증기층은 IPA 증기를 이용해 부품의 모든 물을 배출시켜 부품을 세정 및 건조한다. 엄밀히 비교해보면 요즘의 기술은 열을 이용해서 물을 배출(flash off)하기는 하지만 오염물질을 남기는 차이가 있다. 예를 들면, 부품의 삽입과정에서 증기층의 붕괴 때문에 플래쉬 건조과정(flash dry)이 기존의 증기 건조기에 이용된다.

끓임 용기와 과열장치의 열제공 수단으로는 전기적 방법의 침지(electrical immersion)과 뜨거운 물의 간접 접촉, 글리세롤, 또는 증기(steam)가 이용될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 증기상에서 열전달이 잘되지 않는 특성을 극복하고 적당한 열전달이 이루어지도록 하기 위해 과열장치의 열 발생능력 또는 표면적은 끓임 용기의 것보다 훨씬 커야 한다.

실제 조작에 있어서, 세정되어야 하는 부품들은 과열 증기 구역으로 조절될 구역안에 약간 냉각된 상태로 적재된다. 끓임 용기로부터 증기가 방출되고 과열장치를 통해 자연대류에 의해 흐른 다음, 과열 증기 구역으로 들어간다. 그리고 나서 부품들은 응축에 의한 오염물질/물의 제거과정을 거치게 된다. 또한 과열 증기는 부품을 건조시킨다. 부품들은 장치로부터 수거되기에 앞서 건조공정을 완벽하게 하기 위해 연속적으로 응축코일을 통과하여 들어올려 진다.

부품위에 응축되지 않은 증기는 일차 응축기로 보내지는데, 여기서 감지할 수 있는 과열과 증발 잠열이 제거되고 용매는 액체상태로 돌아가게 된다. 이러한 증기는 오염된 공정부품과 접촉이 없다고 추정되므로, 상기 증류액은 오염되지 않은 것으로서, 수직 하강관을 통해 직접 끓임 용기로 되돌려 보내져서 끓임과 응축 사이클을 새로이 시작하게 된다. 건조 사이클 동안은(즉 작동중일 때) 닫히고 공정부품이 삽입되거나 수거될 때에만 열리는 수평 슬라이딩 커버(167)를 사용함으로써 소모적인 용매의 방출은 최소화된다. 이러한 커버는 하나 혹은 두 개의 조각 중 어느것으로도 설계되어질 수 있으나, 공기-증기 경계의 교란을 최소화하고 열 부하 유지공정을 돕기 위해서는 항상 수평면으로 움직이게 해야 한다. 이것은 종래의 여닫이 형태(clamshell-type)의 문이 열리는 동안 일어나는 증기의 흡입과 같은 바람직하지 못한 영향을 최소화한다. 본 실시예에서 두 부분으로 구성된 수평 슬라이딩 커버 장치(167)는 오직 한 면에서만 움직이므로 부품을 적재하는 동안 증기 건조기로부터 증기가 빠져나가는 것을 크게 감소시킨다.

그러나 일차 응축기와 슬라이딩 커버 밖으로 올라가는 증기는, 생산환경으로 인화성 또는 독성 용매 증기가 유입되는 것을 방지하기 위하여 도 4에서 보여지는 립-벤트(lip-vent) 배출 다기관(216)에 의해 제거된다. 이러한 립-벤트는 무독성 용매가 건조기에서 사용될 경우에는 이용되지 않기도 한다. 하나의 실시예로서, 본 장치는 부품 공정을 위한 증기 건조기와 관련장치간의 직렬식 결합(in-line integration)을 가진 자동기계 상호작용을 증진시키기 위해 분출용 립-벤트 배출구(flush mounted lip vent exhaust)로 구성된다.

끓임 용기와 과열장치의 용매 높이간의 차이(도 6)는 용매 증기 가열의 여러 가지 경로를 제공하는데, 이는 열 전달의 대류 액체 흐름에 크게 의존한다. 도 6에서 점선(177)으로 나타낸 대류 흐름은 약간 냉각된 온도 조절 수집판 표면(121)에 의해서뿐 아니라 과열 증기 구역(145)안에 초기에 놓인 약간 냉각된 부품들에 의한 냉기 발생 효과에 의해 보조된다. 다시 말해 이것은 향상된 열 부하, 역류, 증기 발생 속도 및 전체 작업의 향상을 가능케 하는 본 발명의 제어메카니즘 및 시스템 조합의 또다른 진보된 면이다. 이러한 그리고 그밖의 특성들은 반도체 칩의 운반기나 다른 구성품 및 장비와 같은 거대한 부품들을 건조시키는 경우에도 장치조작이 신뢰할 수 있게 이루어지도록 한다.

도 6은 리프트 시스템(lift system)(185)을 나타낸다. 증기 구역(145)의 본래 형태를 유지하고 반사율(reflex rate)(즉 차가운 물체가 들어감으로 인하여 발생하는 충격으로부터 열역학적 평형 상태로 회복하는 율)을 최소화하기 위하여, 리프트 시스템(lift system)(185)은 아무런 진동(vibration, oscillation)이나 급격한 움직임 없이 탱크 안으로 들어갔다 나온다. 리프트 시스템(185)의 운전 구배는 프로그램 가능 논리 제어기(programmable logic controller)에 의하여 제어된다. 삽입 속도(insertion speed), 회수 속도(withdrawal speed) 및 탱크 내의 직선 운동이 감지되어서 언제나 탱크 내에서의 부품의 위치를 정확하게 지정하게 된다. 본 발명의 이러한 독특한 기능은 증기 구역(145)의 원형을 그대로 보존할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 기능은 슬라이드 커버(slide covers)(167)와 리프트 시스템(185) 사이의 정확한 위치 조정(coordination)을 가능하게 해 준다.

도 7은 도 6에서 보인 본 발명의 구체화된 부분에 대한 제어 공기 시스템(control air system)의 개요를 나타낸다.

도 8은 부분적인 유체 흐름 경로(partial fluid flow paths), 가스 흐름 감지 하부시스템(gas flow sensing sub-system) (192, 194) 및 화재 진압 하부시스템(fire suppression sub-system)을 포함한 본 발명인 과열 증기를 이용한 건조 시스템(superheated vapor drying system)의 세 번째 실시예(embodiment)의 입면도(elevated view)의 개요를 나타낸다. 가스 흐름 감지 하부시스템(gas flow sensing sub-system)(192)은 립 벤트 배출 시스템(lip vent exhaust system)의 부분으로서 립 벤트 가스 흐름 감지 시스템을 제공한다. 가스 흐름 감지 하부 시스템(194)은 탱크와 외부 컨테이너 사이에 적외선 가스 검출 시스템을 제공한다. 화재 진압 하부 시스템(197)은 감지부(sensing sites)(201), 작동부(activation), 표시부(indication) 및 알람 패널(panel)(205)과 CO₂ 공급 및 배출부(208,209)를 제공한다.

도 9에서 도 11은 본 발명인 과열 증기를 이용한 건조 시스템(superheated vapor drying system)의 또다른 실시예의 입면도(elevated view)의 개요를 나타낸다. 도 12는 그 실시예에서 위에서 본 형태를 나타내고 있다. 이 도면들은 증기를 이용한 건조기(100)안에 복수개의 와퍼 캐리어(wafer carriers) (210)가 있다는 것을 나타내고 있다.

상기한 본 발명의 실시예들에는 그 외에도 다양하게 수정을 가하고 특징이 부가되어 질 수 있다. 그 한 예로 Forward Technology Industries, Inc.(Minneapolis, Minnesota)에서 제작한 AD시리즈로 알려진 것이 있다.

본 발명은 강하고, 안정된 증기층(vapor blanket)을 유지하기 위하여, 온도로 제어되는 응축물 수거판(the temperature controlled condensate collection tray)을 사용하고 회복 시간을 단축시키기 위하여 증기를 밀어 올리는 방법(a vapor boost feature) 및 작업 모드를 수평적으로 나누는 슬라이딩 커버(working mode bi-parting horizontal sliding cover)를 포함하는 수단으로 구성되어 있다. 본 실시예에서는 저온의 물질이 증기구역에 들어옴으로써 발생하는 작업 충격(work shock)을 없애기 위하여 여분의 열을 각 과정의 처음 부분에 공급한다. 이것은 뜨거운 물 고립 밸브(hot water isolation valve)를 빠르게 열고(opening a rapid response), 가용 열교환 표면적을 빠르게 늘림으로써 이루어진다. 본 실시예에서, 보충적 열교환(supplemental heat exchange feature)에 있어서의 자동 제어는 프로그램되어진(programmable) 시간 지연 및 밀어 올림 시간(boost duration)에 의하여 제공된다. 이것은 과열 증기를 이용한 건조 시스템에서 이미 알려진 것과는 다른 제어 특징으로 이것은 부분적으로 제조업자들이 증기층(vapor blanket)의 제어를 향상시킬 필요성을 인식하지 못한 점에 기인한다. 프로그램 되어진 시간 지연(programmable time delay) 및 밀어 올림 시간(boost duration)은 각기 다른 부품에 따라서 제어되고, 다른 새로운 특징들과 결합하여 다른 시스템보다 더 많은 처리량에 더욱 더 적합한 고안정성의 증기 이용 건조 시스템을 창출해낸다. 도 6에서 , 코일(218)은 PLC (230)에 의하여 제어되고 증기를 밀어 올리기 위해 가열하는데 사용된다.

도 13A 및 13B는 각각 슬라이드 커버(167)의 평면도와 측면도를 묘사하고 있는데 베일 출구(bail opening)와 수송 출구(transport opening)가 나타나 있다. 슬라이드 커버(이중문; dual door)의 독특한 특징 중의 하나는 그것의 수평적인 움직임인데, 이로 인해 증기 구역(145)을 교란시키지 않고, 증기로 싼 막의 교란을 막을 수 있어 주위로의 증기의 방출을 제한할 수 있다. 이것은 건조 시스템(100)이 깨끗한 장소에 설치될 때 특히 중요하다. 슬라이드 커버(167)의 또다른 독특한 특징은 슬라이드 커버(167) 아래에 위치한 배수 경사면(213)을 들 수 있다. 배수 경사면(213)은 도입되는 부품에서 나오는 물을 배수하는 측면까지 이르게 해 준다. 배수 경사면(213)은 건조 시스템(100)의 중앙 구역에서 적하된 응축물을 제거하고 건조된 부분의 재오염을 막기 때문에 특히 주목할 만하다. 게다가 배수 경사면 (213)은 증기의 바람직하지 않은 주위로의 방출을 감소시키기도 한다.

도 14는 소프트웨어와 그에 부대하는 중요한 하부시스템(subsystem)의 블록도를 나타낸 것이다. 특히, 컴퓨터 시스템(225)은 인터페이스(226)를 통한 프로그램 가능 논리 제어기(이하 "PLC"라고 약칭함)(230)롤 포함한 소프트웨어를 실행하는 도구가 된다. PLC(230)는 공정 특징과 파라미터(232), 커버 메커니즘(234), 수송 메커니즘(236), 안전/셧다운 기능(238) 및 유휴 모드(240)를 제어한다. 구체적으로는 PLC(230)는 파라미터들을 운전하고 있는 모든 시스템(all system operating parameters)을 제어, 변화 및 감시하고 경고 상태를 보여주는 계기판에 모아진 사용자 인터페이스 모듈(a panel-mounted operator interface module)을 짜 넣는 작용을 한다. 다양한 처방들이 사용자 모듈을 통하여 PLC(230)에 저장된다. PLC(230)는 암호를 사용하여 공정 특징과 파라미터(232)들에 접근하는 것을 제어할 수 있다. 또한, 모뎀을 이용하여 원거리에서 PLC(230)를 프로그램하고 감시할 수도 있다.

상기에서 논의된 바와 같이, 본 발명인 증기 이용 건조 시스템(100)은 두 개로 나뉜 끓임 용기(dual offset boil sump)(106과 108)와 증기 발생을 위한 과열 가열기(super heaters)(112)를 가진 증기실(vapor chamber)(145)을 제공한다. 부품으로부터의 응축물은 중력에 의해 온도로 제어되는 적하판(drip tray)(121)으로 배수되어 외부의 폐용매의 재생 또는 방출을 위한 완충용액 탱크로 들어가게 된다. 기하학적인 대부분의 경우에 있어서(For most part geometries), 과열 증기 구역(145)은 부품이 완전히 건조되어서 증기 이용 건조 시스템(100)을 떠나게 만든다. 과열 증기를 이용한 건조의 중요한 장점은 증기의 손실과 막형성(dragout)에 기인한 용매의 소모를 감소시킬 수 있다는 것이다.

이러한 주요한 구성 요소에 더하여, 건조 시스템(100)은 하부 구성 요소와 주변 장치 및 제어 장치(controls)를 포함한다. 주요 구성 요소, 하부 구성 요소 및 주변 장치의 설치(instrumentation) 및 제어는 PLC(230)에 의하여 제어되는 공정 특징(process features)/파라미터들(232)을 포함한다. 공정 특징(process features)/파라미터들(230)의 일부 요소에는 특히 가열, 냉각, 배출 제어 및 증기 손실 제어가 있다. 탱크는 용매 속에 설치되어 있는 열교환기의 코일(133)에 의하여 가열된다. 열 교환기 코일(133)에 있는 혼합 유체(fluid mixture)는 압축된 원격 설치된 전기 가열 시스템에 의하여 공급된다. 설치된 건조 시스템(100)의 열용량은 열 건조 시스템(100)을 주위 온도로부터 대략 45분 안에 운전 온도로 높이고, 완충용액 탱크(125), 증기 구역(145) 및 응축물 수거판(121)의 운전 온도를 일정하게 유지하고, 증기구역(145)에서 20-25도 정도 과열하여 8 gallon/hour정도의 높은 용매 증류 속도를 유지하는데 충분한 크기이다.

시스템을 냉각하는데 있어서는 공기와 물에 의한 냉각이 모두 사용되어질 수 있다. 전통적으로 건조 시스템(100)은 40-45℉정도의 냉각수를 약 10gpm정도 필요로 한다. 이러한 범위를 넘는 운전은 심각한 문제를 초래하지는 않지만, 증기가 높은 비율로 샐 수가 있다. 건조 시스템(100)은 가열 및 냉각 밸브, 충전 및 배수 밸브를 포함하는데, 60-90psi의 최대 15cfm의 깨끗한 건조 공기로 운전되는 것이 바람직하다. 또한, 배출 제어도 건조 시스템(100)의 중요한 특징이다. 구체적으로는 2 inch 정압(static pressure)에서 대략 150 cfm의 배출 흐름을 낼 수 있는 용량을 가진 송풍기가 요구된다. 송풍기의 전력원은 메인 시스템과 독립적이어서 유휴(idle) 또는 비상 셧다운시에도 계속 운전이 가능하다. 추가적인 증기 손실 제어 기능과 파라미터들은 적어도 100%의 프리보드(freeboard)비를 갖는 프리보드 디자인을 포함한다. 프리보드비는 증기 구역의 상부로부터 컨테인먼트(containment) 탱크의 상부까지의 거리를 공기-증기 계면의 출구(opening)에서의 최소 두께로 나눈 비이다. 본 설계는 건조 시스템(100)내의 컨테인먼트 구역으로부터 증기 유출을 최소화한다. 본 발명에서 유익하게 이용되어지는 다른 파라미터들로는 다음과 같은 것들이 있다; 용매 증기를 끓는 점 이상으로 가열하여 과열 증기구역(145)에서 플래쉬-건조(flash-drying)가 일어나게 한다. 또한 찬 물체가 과열 증기 구역(145)에 들어 와서 발생하는 작업 충격(work shock)을 극복하기 위하여 각 사이클의 초반부에 여분의 열을 공급한다. 이렇게 증기를 밀어 올림으로써 가열을 하는 것은 나누어진 끓임 용기(106, 108)와 더불어 증기 구역을 붕괴하지 않도록 함으로써 실제로 회복시간이 0이 되게 한다. 또한, 온도로 제어되는 응축물 수거판(121)은 약간 냉각된 판을 제공하여 액체로 된 물에 다시 증기로 바뀌어서 깨끗한 부분을 재오염시키는 것을 최소화한다. 또한 경사진 구조로 되어 있어서 물이 많은 응축물과 응축물에 함께 붙은 오염물질들은 수거판의 약간 냉각된 표면에 떨어지게 된다.

커버 메커니즘(234)은 이중 슬라이딩 커버(167)로 운전된다. 슬라이딩 커버(167)는 부품을 싣거나 내릴 때 열리게 된다. 커버(167)는 오로지 한 평면으로만 작동하여 증기 구역(145)의 교란을 최소화한다. PLC(230)는 커버 메커니즘(234)에 공기를 이용한 제어를 사용한다. 커버 메커니즘(234)의 운전은 부품이 공정실(process chamber)에 들어온 후 및 시스템이 사용중이 아닌 경우에는 자동적으로 정지되도록 조정되고 감시된다. 이러한 기능은 운전중, 유휴 및 대기 조건에 있는 중에 용매 증기가 손실되면 크게 감소한다.

PLC(230)는 또한 수송 메커니즘(236)을 조정한다. 수송 메커니즘(236)은 리프트 시스템(185)을 제어한다. 자동화된 리프트 시스템(185)은 일반적으로 적어도 50 lb의 용량을 갖는 캔틸레버형의 수직 리프트를 포함한다. PLC(230)는 용매의 막형성(dragout)을 최소화하고, 적절하게 건조시키기 위하여 증기 구역(145)을 통한 부품의 운반 속도를 제어한다. 상기에서 논의된 바와 같이 리프트 시스템(185)은 부품이 실리고 시스템 안으로 내려질 때 슬라이딩 커버(167)를 작동시키도록 맞물려 있다. 바람직하게는, 가변적인 속도로 시간을 맞추고(a variable-speed timing), 벨트로 운전되는(belt-driven) 직류 전기 모터가 리프트 시스템(185)의 리프트 암(lift arm)에 전력을 공급한다. 리프트 위치는 정확한 위치 제어를 위해서는 줄 포텐쇼미터(string potentiometer)(직선 운동 변환기; linear motion transducer)를 통하여 감시되고 제어되는 것이 바람직하다.

안전/셧다운 기능(238)은 조절 순응성(regulatory compliance), 설계 안전, 운전 안전, 설계 실패 모드(design failure modes) 및 설계 표준을 통합하게 된다. 본 발명은 국립 화재 예방 협회(National Fire Protection Association; NFPA) 및 관련 OSHA와 지역 화재 예방 기준(local fire safety standards)과 같은 기능과 표준들을 포함한다. 또한, 건조 시스템(100)은 모든 적용 가능한 NFPA 표준들을 통합하고(incorporate), 폭발을 충분히 방지할 수 있는 안전 기능을 갖는 시스템을 포함한다. 가장 중요한 안전에 관한 특징은 높은 증기 농도 지역에서 안전한 기구(devices)와 구성 요소들을 사용하는 것을 포함한다. 립 벤트 배출(lip vent exhaust)과 서브프레임 배출(sub-frame exhaust)은 배출 흐름의 용매 증기 제어 및 포괄적인 감시를 위하여 통합되어 진다(incorporated). 또한, 용매 증기를 감시하여서 15%의 저인화제한점(lower flammable limit; 이하 "LFL"이라 약칭함)에 이르면 경고 기구를 작동시키고, 25% LFL에서는 또 다른 경고가 자동 셧다운, 전기 차단(electrical isolation) 및 장치의 냉각을 가속화시키게 된다. 고온 또는 온도 변화의 빠른 변화를 감지하는데는 열 감지 장치가 사용되어지는 것이 바람직하다. 화재 발생의 경우에는 종합 CO₂ 화재 진압 시스템이 작동하게 된다. 가스 경고 시스템은 15% LFL에서 작동하고 25%LFL에서 자동 셧다운을 다시 한번 경고해 주며 시각적 및 청각적으로 경고를 해준다. 탱크의 가열은 가열되는 탱크 안에 위치한 열교환기(133)의 뜨거운 물에 의하여 간접적으로 이루어진다. 코일의 온도는 50 psi에서의 물-글리콜 혼합물의 끓는점을 넘을 수 없기 때문에, 이러한 설계는 가열기의 오작동에 의한 경우에도 용매가 발화 온도에 이르는 것을 방지한다. 또한, 상기에서 논의된 바와 같이 프리보드(freeboard) 설계는 컨테인먼트(containment) 탱크로부터 증기의 유출을 최소화한다. 다른 안전 기능으로는 누출 컨테인먼트 판(spill containment tray), 원격 주 전기 제어 캐비넷(remote main electrical control cabinet), 공기 제어(pneumatic controls) 및 비상 정지 기능이 있다.

운전 안전을 위하여 시스템이 용매를 함유하고 있는 한 주전원과의 연결을 유지하는 것을 고려하여야 한다. 또한, 어떤 한 부분이라도 사용되는 용매의 발화점 이상이 된 경우에는 부품이 건조 시스템 안으로 들어와서는 안된다. 정상 운전 조건하에서는 부품의 온도가 용매의 끓는점 이하이어야 한다.

설계 실패 모드(design failure modes)는 화재, 폭발, 누출(spillage)을 피하기 위하여 임계점(critical point)에서 시스템을 셧다운함으로써 수반된다. 예를 들어, 배출 송풍기에 문제가 발생한 경우(fails), 시스템으로의 모든 전력 공급은 안전 기능의 일환으로 PLC(230)에 의하여 차단된다. 따라서, 가열 시스템은 뜨거운 물을 가열 코일(133)에 공급하는 것을 중단하게 되고, 차가운 물은 냉각 또는 응축 코일(138)을 통하여 흐르게 된다. 시스템은 배출 송풍기가 재시동되고, 정상적인 공기의 흐름이 감지될 때에만 다시 작동을 하게 된다.

공급 설비로부터의 전력 공급의 손실은 운전을 중단하게 될 지도 모른다. 오직 화재 진압 패널(panel)만이 그런 경우에도 계속적인 운전을 보장하는 보조(back-up) 전력 공급을 받는다. 그러나, 전력이 완전히 손실된 경우에는 배출 송풍기가 정지하게 된다(result in exhaust blower failure). 마찬가지로, 가스 경고 시스템에 손실이 온 경우에도 배출 송풍기가 계속 운전하고 있는 경우를 제외하고는 전력원의 손실로 나타난다.

PLC(230)는 유휴 모드(240)동안에 건조 시스템(100)을 감시한다. 구체적으로, 가스 감지기, 액체 높이 제어(liquid level controls), 온도 감시 및 알람을 포함하는 모든 안전 기능들은 유휴 모드(idle mode)기간 동안에도 작동한다. 또한, 배출 송풍기가 주된 폭발 방지 장치(the primary explosion prevention device)이기 때문에, 건조 시스템(100)이 쉬는 동안에도 계속 작동된다.

도 15A와 도 15B에서 보면, 건조 시스템(100)의 운전은 논리 단계 250에서 시스템에 전력을 공급함으로써 시작된다. 논리 단계 252에서 유체는 열교환기 코일(133)과 응축 코일(138)에 공급되고, 건조 시스템(100)은 자동적으로 필요한 용량의 용매로 채워진다. 논리 단계 252에서와 동시에, 논리 단계 254에서 열교환기(133)는 가열되고 응축 코일(138)은 냉각된다. 이렇게 됨으로 해서 용매의 증발 및 응축이 되고, 열 구배 또는 열역학적 추진력으로 작용한다. 논리 단계 254에서의 열교환기 코일에 더욱 더 열을 가하게 되면 과열 증기가 발생한다. PLC(230)는 건조 시스템(100)이 적절한 온도에 있는지 여부 및 과열 증기가 결정 블록 256에서 유지되는지 여부를 검토하게 된다. 만약 건조 시스템(100)이 적절한 온도에 있지 않거나, 과열 증기 구역(145)이 형성되지 않은 경우, 다시 논리 단계 254로 돌아가서 열교환기에 대한 가열이 계속되게 된다. 과열 증기 구역(254)이 형성되고 건조 시스템이 필요한 온도에 있는 경우에는 논리 단계 258로 가서 커버(167)를 작동시켜 열게 된다. 계속하여 아래로 가 논리 단계 260에서는 리프트 시스템(185)이 작동하게 된다. 그 다음에 결정 블록 262에서 부품이 탱크 안에 있는지를 결정하게 된다. 만약 부품이 탱크 안에 있는 것이 확인되지 않는 경우에는 다시 논리 단계 260으로 되돌아가게 된다. 부품이 탱크 안에 있는 것이 확인되는 경우에는 논리 단계 264에서 커버(167)를 닫고 탱크 안의 리프트 메커니즘(185)의 이동 속도를 감시하게 된다. PLC(230)는 부품이 탱크 안에 있는 것을 확인한 다음에 부품의 위치 및 이동 속도를 감시하게 된다. 논리 단계 266에서는 미리 정해진 시간동안 부품을 건조시키게 된다. 그 다음에 논리 단계 268에서 커버(167)를 열고 그 후, 논리 단계 270에서 리프트 메커니즘(185)이 작동하게 된다. 그 후에 결정 블록 272에서 리프트 메커니즘(185)은 커버를 통과했는지(clear covers)를 확인 받게 되고 만약 통과하지 못했다면 논리 단계 270으로 되돌아가서 리프트 메커니즘을 다시 더 작동하여 위로 올리게 되고, 통과한 것이 확인되었다면(confirmed clear of covers 167), 논리 단계 274로 가서 커버(167)를 닫게 된다. 그 다음에 논리 단계 276에서는 부품을 제거하게 된다. 건조 시스템(100)은 결정 블록 278에서 청소되어야 할 새로운 부품을 받아들일 준비를 하게 된다. 만약 새로운 부품이 있는 경우에는 프로그램 논리는 서브루틴 R을 통하여 다시 결정 블록 256으로 가게 된다. 반대로 새로운 부품이 없는 경우에는 논리 단계 280으로 가서 건조 시스템(100)은 유휴 모드로 유지된다.

따라서, 본 발명은 바람직하고 유용한 설계, 안전성, 유연성 및 유지가능성에서 독특한 기능을 갖는 독립적인 건조 시스템(autonomous dryer system)을 제공한다. 구체적으로 PLC(230)는 전에는 알려지지 않았던 방식을 통한 장치와 방법을 사용함으로써 증기를 이용한 건조의 정확한 제어와 감시를 가능하게 한다. 보다 구체적으로, 본 발명인 건조 시스템(100)은 특히 청결이 요구되는 경우에 적용될 수 있고, 자동화된 프로그램 가능 시스템을 제공하며 이 시스템은 용매의 소모량을 줄이고, 증기의 유출을 제한하며, 안전성과 청정실 적합성(clean room compatibility)을 위한 독특한 설계를 통합한다. 요약해서 말하면, 본 발명의 설계는 부품이 증기 구역 안에 있는 동안 나누어진 끓임 용기와 열교환기에 의하여 생성된 과열 증기를 이용하여 효율적 및 효과적으로 부품을 건조시키는 것이다. 부품이 용매의 끓는 점 이상 크게(10-30℃) 가열됨에 따라, 잔존하는 액체막(liquid film)은 공기 증기 계면 아래에서 순간적으로 건조되고(flash-dried), 결과물로서 생기는 증기는 주 응축기에 잡히거나 시스템 내에 포함되어 있게 된다. 본 발명에서 행해진 과열 증기를 이용한 건조 방법의 사용은 막형성(dragout)으로 인한 손실을 감소시키고, 전체적으로 증기 유출이 적으며, 환경 적응성이 좋고 용매의 소모가 적은 장점이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서 보여지고 기술되는 동안, 본 발명의 더 넓은 관점에서는, 발명의 범위를 일탈하지 않으면서도 변화와 수정들이 가해질 수 있다는 것이 당업자들에게는 분명할 것이며, 따라서, 첨가된 청구범위의 목적은 그러한 변화와 수정들이 본 발명의 정신 및 범위 내에 해당하도록 망라하는 것을 목적으로 한다.

Claims (14)

1) 최소한 하나의 끓임 용기안에서 용매를 끓이기 위한 수단으로서 일차 열 교환기와;

2) 용매의 끓는점보다 최소한 약 20°F 높은 온도로 용매 증기를 가열하고, 구역안에 놓인 부품을 세정하기에 적합한 과열 증기 구역을 만드는 수단으로서 이차 열 교환기와;

3) 응축물이 과열 증기 구역에서 부품으로부터 제거되고 일차 응축 수단 옆에 위치한 일차 응축 구역으로 들어갈 때 부품위에 남아 있는 모든 잔유물을 응축시키는 일차 응축 수단과;

4) 새로운 용매를 장치안으로 공급하고, 오염된 용매를 제거하며, 다양한 가열수단안에서 온도의 흐름을 제어하는 충전 및 배출 하부장치(fill and drain subsystem)로서, 응축물이 증기로 재배출되는 것을 방지하면서 부품으로부터 제거된 응축물을 포획, 배출 및 수집하는, 온도가 조절되는 수거판을 포함하는 충전 및 배출 하부장치를 포함하는 외부 용기를 구비하는 과열 증기 건조 장치로서,

상기 외부 용기는 상부에 설치되고 수평으로 활주하는 출입구를 가지며, 상기 출입구의 크기는 부품이 꼭 맞게 통과될 수 있도록 설계되는 것을 특징으로 하는 과열 증기 건조 장치.

삭제

제 1 항에 있어서, 이차 열 교환 수단은 부품 적재 사이클동안 추가적인 열 전달이 가능하도록 보충적인 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 과열 증기 건조 장치.

건조 장치를 작동시키기 위해 공정 변수들과 시스템 기능을 제어하는 일련의 장치를 가진 시스템 소프트웨어가 그 안에 설치되고, 복수개의 구성요소들을 포함하는 컴퓨터가 장착된 프로그램 가능 논리 제어기(programmable logic controller, PLC)로서, 상기 일련의 장치는 각각의 복수개의 모듈로 구성되고, 각 모듈은 작동 특징부와 변수 제어 공정; 슬라이딩 커버 메카니즘 활성화 공정; 부품 수송 메카니즘의 작동 공정; 안정성 및 작동의 개폐 공정; 유휴공정에서 시스템 제어 및 유지공정을 제어하며, 상기 공정들은 자료 및 PLC와 상호 작용하는 컴퓨터로부터의 피드백에 의해 조화되며,

상기 작동 특징부와 변수 제어 공정은 과열 증기 구역을 조절하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터가 장착된 프로그램 가능 논리 제어기.

삭제

제 4 항에 있어서, 상기 슬라이딩 커버 메카니즘 활성화 공정이 증기 방출을 제한하도록 슬라이딩 커버 메카니즘을 제어하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터가 장착된 프로그램 가능 논리 제어기.

제 4 항에 있어서, 상기 부품 수송 메카니즘 작동 공정이 증기 구역내에서 부품의 상대적인 위치를 확정하고 상기 슬라이딩 커버 메카니즘에 의해 수송 메카니즘이 방해되지 않도록 하기 위해 이동기구의 오르내림을 제어하는 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터가 장착된 프로그램 가능 논리 제어기.

제 4 항에 있어서, 상기 안정성 및 작동의 개폐 공정이 조절 순응성, 설계 안정성, 작동 안정성, 설계 실패 모드 및 설계 표준을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터가 장착된 프로그램 가능 논리 제어기.

제 4 항에 있어서, 상기 작동 특징부와 변수 제어 공정은 용매가 발화온도에 달하는 것을 막기 위해 간접열의 사용을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터가 장착된 프로그램 가능 논리 제어기.

1) 용매를 가열하기 위한 일차 열 교환 수단;

2) 구역안에 놓인 부품들을 세정하는 안정화된 과열 증기 구역을 만들기 위해 상기 용매의 과열 증기를 만드는데 사용되는 이차 열 교환 수단;

3) 과열 증기 구역에서 응축물이 부품으로부터 제거되고 일차 응축 수단 옆에 위치한 일차 응축 구역으로 들어갈 때 부품에 남아 있는 잔유물을 응축시키는 일차 응축 수단;

4) 부품이 과열 증기 구역과 상기 일차 응축 구역안에서 알려진 위치에 놓이도록 프로그램 가능 논리 제어기(PLC)에 의해 작동되는 리프트 시스템;

5) 상기 리프트 시스템의 알려진 위치와 작동 방향에 맞춰 슬라이딩 커버 메카니즘을 개폐하는, 프로그램 가능 논리 제어기(PLC)에 의해 작동되는 슬라이딩 커버 수단;

6) 온도가 제어되는 수거판을 포함하는 응축물 포획 수단;

7) 새로운 용매를 장치안으로 공급하고, 오염된 용매를 제거하며, 일차 및 이차 열 교환 수단안에서 온도의 흐름을 제어하는 충전 및 배출 하부장치(fill and drain subsystem)로서, 상기 슬라이딩 커버 수단에 부착되어 들어오는 부품으로부터 물을 배출해내는 배출구를 포함하고, PLC를 점검하며, 시스템 작동이 가능한 정확한 부품의 증기 건조와 조화되도록 하는 충전 및 배출 하부장치;

로 이루어진 프로그램 가능 논리 제어기를 포함하는 과열 증기 건조 장치

제 10 항에 있어서, 상기 일차 열 교환 수단은 상기 용매가 포함되는 구조를 이루는 두 개의 탱크 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 과열 증기 건조 장치.

제 11 항에 있어서, 상기 두 개의 탱크 시스템은 고에너지 증기에 의한 세정 및 건조를 증진시키기 위해 부품주위에 균일한 증기 구역을 제공하는 것을 특징으로 하는 과열 증기 건조 장치.

제 10 항에 있어서, 상기 이차 열 교환 수단은 과열 증기에 안정성을 부여하는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 과열 증기 건조 장치.

제 10 항에 있어서, 상기 수거판은 오염물질의 정착(settlement)을 증가시키기 위해 점점 가늘어지는 기하학적 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 과열 증기 건조 장치.