KR100540319B1

KR100540319B1 - 인라인 필터

Info

Publication number: KR100540319B1
Application number: KR1020007000332A
Authority: KR
Inventors: 에이젠만마크알; 발라지리차드디
Original assignee: 모트 메탈러지칼 코포레이션
Priority date: 1997-07-16
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2006-01-10
Also published as: JP2001510086A; WO1999003560A1; US5917066A; KR20010021769A

Abstract

9LRV 효율을 달성하는 인라인의 초고효율 필터는 하우징(10)을 포함하며, 이 하우징은 그 길이를 따라 연장되는 챔버와, 챔버 내외로의 유로를 제공하는 유입구(16) 및 유출부(18)를 구비한다. 상기 챔버 내에는 상기 유입구(16)에 인접한 단부에서 개방된 관형 본체와, 상기 유출구에 인접한 타단부에 있는 단부벽(28)으로 구성되는 다공질의 소결 금속 필터 요소(12)가 안착되며, 이 필터 요소(12) 내부에는 유입구(16)로부터 단부벽(28)까지 연장되는 내부 유로(30)가 마련되어 있다. 밀봉 용접부(38)가 상기 필터 요소(12)의 외주와 유입구(16)에 인접한 상기 하우징(10) 사이를 기밀하게 밀봉한다. 필터 요소(12)는 챔버 벽으로부터 간격을 두고 배치되어 그 주변에 플리넘 공간(24)이 마련되며, 상기 필터의 유입 단부로 유입되는 가스류는 필터 요소(12)의 내부 유로(30)를 통하여, 필터 요소(12)의 본체로부터 외측으로 플리넘 공간(24) 내로 향하고, 그 후 필터의 유출구(18)로부터 외측으로 나간다.

Description

인라인 필터{INLINE ULTRA-HIGH EFFICIENCY FILTER}

본 발명은 필터에 관한 것으로, 보다 구체적으로 말하면 통과하는 가스류로부터 극히 작은 입자를 제거하는 인라인 필터에 관한 것이다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 초고효율의 다공질 소결 금속 필터는, 민감한 제품의 오염을 방지하기 위하여 극도로 청결한 환경이 요구되는 전자 산업 및 다른 산업에서 널리 활용되고 있다. 예컨대 전자 산업에서는, 주로 인라인 필터(inline filter)를 사용해서 공정 가스(process gas)를 처리하여, 반도체 제조 공정에 임의의 입자상 물질이 유입되는 것을 방지하고, 그에 따라 전자 제품의 오염을 방지하고 있다.

전자 업계에서는 작은 입자를 매우 효율적으로 제거하기 위하여 소결 금속 필터를 사용하는 것이 유리하다는 것을 인식하고 있었다. 이러한 목적을 위한 구조의 예로는 1992년 5월 19일에 데이비스에게 허여된 미국 특허 제5,114,447호 및 1996년 1월 31일에 젤러에게 허여된 미국 특허 제5,487,771호에 개시된 것들이 있다.

상기 특허들에 개시된 필터는 가스류 중의 작은 입자를 제거하는 데에는 효과적이지만, 필터 요소가 점유하는 공간에 비하여 필터 챔버의 내부 용적이 상대적으로 크기 때문에, 가스가 포집되고 수분이 응집되는 사공간(dead space)이 형성된다. 또한, 이러한 필터를 수용하고 충분한 필터 영역을 제공하기 위한 특별한 하우징 구조에는 종종 특별한 폐쇄 수단(closure) 및 복수의 용접부가 필요하며, 이러한 하우징 구조는 헬륨 검사 또는 압력 검사를 받아야 한다. 더욱이, 복수 부품의 하우징은, 제조시 비용 및 시간의 증대를 야기한다.

전자 산업에는 용이하게 설치되고 빠르게 퍼지될 수 있는 인라인 필터가 바람직한데, 이 인라인 필터는 대략 0.1 마이크로미터의 최대 투과 입자 크기에서 99.9999999%의 높은 제거 효율을 달성한다. 입자에 대한 9 로그 감소값(9 log reduction values; 9LRV)을 구하는 시험 방법은, 1997년 5월 6일부터 8일까지 캘리포니아주 로스앤젤레스에서 개최된 43rd Annual Technical Meeting of the Institute of Environmental Science의 회보에서 Rubow,K.L, D.S.Prause 및 M.R.Eisenmann의 "A Low Pressure Drop Sintered Metal Filter for Ultra-High Purity Gas System"이라는 제하의 논문과, 1991년의 37th Annual Technical Meeting of the Institute of Environmental Science 회보의 PP 834-840에서 Rubow,K.L, 및 C.B.Davivs의 "Particle Penetration Characteristics of Porous Metal Media for High Purity Gas Filtration"이라는 제하의 논문에 개시되어 있다.

산업계의 또다른 요구는 필터 전후의 압력차 손실이 비교적 낮으면서도 비교적 고유량을 달성하는 것이다.

본 발명의 목적은, 미세 입자 제거 효율이 매우 높고 압력차 손실이 적은 다공질의 소결 금속 필터 요소를 사용하는 신규한 인라인 필터를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 조립이 용이하고 가스 라인에 쉽게 조립될 수 있는 필터를 제공하는 것이다.

다른 목적은 필터 요소가 점유하지 않는 내부 용적이 비교적 작으며 이상적인 작동을 위하여 직선 통과 흐름(straight through flow)을 이용하는 필터를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은, 누설을 방지하고 부식을 최소화시키며 고장을 감소시키기 위하여, 필터 매체의 하류에 용접부가 없는 그러한 필터를 제공하는 것이다.

전술한 목적 및 관련 목적은 하우징을 포함하는 초고효율의 인라인 필터에 의해 쉽게 달성될 수 있는데, 이 하우징은 ⅰ) 하우징의 길이를 따라 연장되는 챔버와, ⅱ) 상기 챔버로의 유로를 제공하는 일단부의 유입구와, ⅲ) 챔버로부터의 유로를 제공하는 타단부의 유출구를 구비한다. 상기 챔버 내에는 ⅰ) 상기 하우징의 유입 단부에 인접한 단부에서 개방된 관형 본체와, ⅱ) 상기 하우징의 유출구에 인접한 타단부에 있는 단부벽을 구비하는, 다공질의 소결 금속 필터 요소가 마련되어 있다. 이 필터 요소의 내부에는 유입구로부터 단부벽까지 연장되는 내부 유로가 마련되어 있다. 밀봉 수단이 상기 필터 요소의 외주와 유입구에 인접한 하우징 사이를 기밀하게 밀봉하며, 필터는 챔버 벽으로부터 간격을 두고 배치되어 그 주변에 플리넘 공간을 제공한다. 필터의 유입 단부로 유입되는 가스류는 필터 요소의 내부 유로를 지나, 필터 요소의 본체로부터 나가서 외측으로 플리넘 공간 내로 들어가고, 그 후 필터의 유출 단부로부터 외측으로 나간다.

필터 요소의 단부벽은 관형 본체와 일체로 성형되는 것이 바람직하다. 선택적으로, 필터 요소의 단부벽은 관형 본체에 결합되는 별도의 플러그이다.

유입구에 인접한 하우징의 통로에는 상기 챔버의 나머지 부분보다 작은 직경의 쇼울더가 마련된다. 필터 요소는 그 길이를 따라 직경이 일정하며, 그 유입 단부가 하우징의 쇼울더에 꼭맞게 안착된다. 필터 요소의 유입 단부는 하우징의 유입구에 인접하며, 밀봉 수단은 필터 요소와 쇼울더의 접합면 주변에서 연장되는 용접부이다.

필터 요소는 챔버 용적의 75% 이상을 점유하는 길이와 단면을 가지는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 인라인 필터의 측면도로서, 그 일부가 단면도로 도시되어 있는 도면이고,

도 2는 필터 요소가 제거된 상태의 도 1과 유사한 측면도이고,

도 3은 도 2에서 A로 지시된 유입부의 확대도이고,

도 4는 필터 요소의 확대 종단면도이고,

도 5는 필터 요소의 변형예를 확대하여 분해한 종단면도이고,

도 6은 필터의 유입 단부에 인접한 가스 유로와 필터 요소를 하우징의 유입 단부에 장착 및 밀봉하는 용접부를 보여주는 필터의 개략적인 부분 단면도이다.

본 발명에 따른 인라인의 다공질 금속 필터는 컵형상의 다공질 금속 필터 요소(12)가 내장되는 하우징(10)을 구비한다. 필터 하우징은 본체부(14)와 유입 단부(16) 및 유출 단부(18)로 구성된다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 하우징에는 그것을 관통하여 연장되는 통로 또는 보어(20)와 필터 요소(12)가 안착되는 챔버가 마련되어 있다. 유입 단부(16)의 외측 단부에 인접하여, 보어(20)에는 직경 감소부(22)가 마련되며, 이 직경 감소부에는 필터 요소(12)의 단부가 꼭맞게 안착되고, 필터 요소(12)의 길이의 나머지 부분에 걸쳐 필터 요소(12)와 보어(20) 사이에는 플리넘 공간(24)이 마련되어 있다.

도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 필터 요소(12)는 실질적으로 벽 두께가 일정한 긴 관형 본체부(26)와 유출 단부(18)에서 그 안의 공동(30)을 폐쇄하는 단부벽 부분(28)을 구비한다. 바람직하게는, 단부벽 부분(28)은 벽 두께가 감소되도록 모따기 가공된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 유입 단부(16)를 통해서 필터(12)로 유입되는 가스는 필터 요소(12)의 공동(30)을 지나, 본체부(26)와 단부벽 부분(28)의 다공질 벽을 통하여 외측으로 나가서, 플리넘 공간(24)으로 들어간다. 플리넘 공간(24)으로부터 나온 가스는 유출 단부(18)를 통하여 필터로부터 나간다.

도 4의 실시예에서, 필터 요소(12)의 본체부(26)와 단부벽 부분(28)은 일체로 성형된다. 도 5의 실시예에서, 본체부(26a)는 실린더로서 형성되고, 단부벽 부분(28a)은 공동(30)에 끼워지는 본체부(34)와 실린더의 단부와 맞닿는 칼라(36)를 갖는 플러그로 구성된다.

필터 요소(12)를 하우징(10)의 유입 단부(16)와 동축 정렬 및 밀봉되는 관계로 유지하기 위하여, 도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이 유입 단부의 접합면 근처에 용접부(38)가 형성된다.

쉽게 이해할 수 있듯이, 필터용 하우징은 바 또는 로드 스톡(rod stock)을 외부 윤곽과 직선 관통 보어 통로 모두를 제공하도록 기계 가공함으로써 용이하게 제조될 수 있다. 예시된 바와 같이, 필터 요소가 용접되는 쇼울더를 제공하도록 설계된 유입구의 직경 감소부를 제외하고, 통로의 직경은 일정하다. 다양한 금속이 사용될 수 있다. Type 316 스테인리스 강이 이러한 특정 용례에 매우 유용한 것으로 판명되었다. 하우징은 전해 연마되고 이어서 평활하게 다듬질 가공되어 부식 가능성을 최소화할 수 있다. 예시적인 필터 하우징은 길이가 1.5 인치 내지 20 인치이고, 통상 길이는 3.31 인치이며, 외경이 0.25 인치 내지 6 인치이고, 통상 외경은 0.614 인치이며, 내경이 0.125 인치 내지 5.9 인치이고, 통상 내경은 0.25 인치이며, 필터의 개방 단부에 VCR, NPT, 압축식 또는 O 링식의 0.125 인치 내지 1 인치의 피팅(fitting)이 있으며, 통상 피팅은 0.125 인치의 VCR이다. 대안으로, 하우징은 Hastelloy C22 및 니켈을 비롯한 다른 재료로 제조될 수 있다.

필터 자체는 소결 금속으로 제조된 컵형상의 구조이며, 제1 실시예에 도시된 바와 같이 일체형으로 성형되는 것이 바람직하지만, 제2 실시예에 도시된 바와 같이 원통형 요소와 단부 캡 또는 플러그로 조립될 수도 있다. 필터 매체는 20 내지 50%의 조밀도(50 내지 80%의 개공도)를 가지며, 내식성 금속으로 제조된다. 필터용의 금속 분말은 입자 크기가 대략 20 마이크로미터 미만, 바람직하게는 10 마이크로미터 미만인 임의의 적절한 분말일 수 있다. 적절한 금속의 예로는 니켈, Type 316 스테인리스 강, HASTELLOY라는 제품명으로 Haynes International로부터 판매되는 니켈/크롬/몰리브덴 합금이 있다. 니켈의 경우, 입자 크기가 2 내지 4 마이크로미터인 INCO Type 255 섬유질 분말(filamentary powder)이 매우 효과적인 것으로 판명되었다. 변형예로는 섬유 금속, 스크린, 또는 발포체(foam) 및/또는 분말 복합 재료를 이용할 수 있다. 예시적인 복합 다공질의 관형 요소는 개방 기공 발포체(open-pore foam; 예컨대, INCOFOAM이라는 제품명으로 INCO에서 판매하는 타입의 유연성의 또는 연성 니켈 발포체)로 구성되며, 이 발포체는 〔예컨대, 튜브 둘레에 발포 시트(foam sheet)를 감거나 튜브 굴대 위에 스트립을 권취하여 헬리컬 튜브를 제조하도록〕 원통 형상으로 감기며, 발포체의 인접 에지는 접합, 중첩 또는 용접에 의해 적소에 로킹된다. 관형 요소의 원통형 벽은 그 기공이 소결 분말로 채워진 발포 실린더로 이루어지는 내부와 소결 분말의 외부 원통형 층을 포함한다. 발포체의 기공을 채우고 외부 원통형 층을 형성하는 데 모두 사용되는 분말은 제품명 T255로 INCO에서 판매하는 타입의 섬유질 분말이다. 명백하듯이, 넓은 범위의 다른 발포체(예컨대, 다른 금속 발포체, 세라믹 발포체 및 에어로졸 발포체)와 분말〔예컨대, 섬유질 분말 또는 구형 분말(spherical powder), INCO T210과 같은 다른 니켈 분말, 스테인리스 강, 티타늄, 지르코늄 또는 기타 금속의 분말, 그리고 세라믹 분말〕이 또한 사용될 수 있다.

첨부 도면에 예시된 바와 같이 컵형상의 필터를 제공함으로써, 필터는 하우징을 관통하는 통로의 거의 전체 길이를 점유하며, 그 직경은 관통 유로의 직경보다 단지 약간 작아서, 필터 둘레에 단지 작은 플리넘 통로(예컨대, 0.250 인치의 통로에서 직경 0.225 인치의 필터를 배치함으로써 형성)만이 마련되는 것을 알 수 있다. 이로 인하여, 필터 하우징의 본체 내에서 사공간의 크기가 감소되며, 설치 후 및 교체 중에 필터를 퍼지 및 건조하는 데 걸리는 시간이 최소화된다. 또한, 여과 작용을 위하여 매우 큰 표면적을 제공함으로써, 필터를 통과하는 가스의 고효율 흐름이 달성되고, 배압 문제가 감소될 수 있다. 예시적인 컵 또는 튜브 구조는 길이가 0.25 내지 18 인치이고, 통상 길이는 3.0 인치이며, 외경이 0.125 내지 6 인치이고, 통상 외경은 0.216 인치이며, 내경은 0.0625 내지 5.9 인치이고, 통상 내경은 0.11 인치이다.

인라인 필터에서는 재료의 밀도와 필터의 유효 표면적에 의존하는 특정의 유량 및 압력 강하에서 99.9999999%의 높은 제거 효율이 측정된다. 인라인 필터의 전후의 압력차는, 구조의 필터 면적에 의존하여 0.1 내지 100 SLPM(분당 표준 리터) 사이의 정격 유량으로 질소가 대기로 유출될 때 통상적으로 8 psi미만이다. 이 예에서, 외경의 표면적이 2.3 in²인 필터는 질소가 7 psi의 압력 손실을 수반하면서 15 SLPM의 유량으로 대기로 유출될 때 9 LRV의 여과율을 갖는다. 필터는 정격 유량보다 작은 유량에서 훨씬 큰 효율을 발휘한다. 컵형상 필터의 면적이 넓어지고 필터 매체의 밀도가 낮으면, 통상적으로 30 내지 90 psi의 범위에서 작동하는 가스 이송 시스템에서의 압력차 손실은 비교적 작게 된다. 고순도의 가스 여과 작용을 위하여 인라인 필터를 실용적으로 작동하는 데는 압력차 손실이 작은 것이 필요하다.

또한, 필터 요소는 필터 요소를 하우징의 유입 단부에 형성된 쇼울더에 용접함으로써 필터 하우징의 통로 내에 용이하게 고정 및 밀봉될 수 있다. 전자 비임 및 레이저를 포함한 임의의 적절한 용접 기술이 사용될 수 있다.

추가로, 필터 매체의 하류에 있는 임의의 모든 용접부를 제거함으로써, 하우징 완전성의 손상 및/또는 누설이 방지된다. 또한, 하우징에서 용접부를 제거함으로써, 통상적으로 용접부와 관련된 부식에 대한 소스 또는 사이트(sites)와 용접부 자체에 인접한 용접 영향 영역을 제거할 수 있다.

그러므로, 본 발명의 신규한 인라인 필터는 큰 여과 표면적으로 인해 효율이 높고 조립이 용이하다는 것을 알 수 있다. 또한, 필터 하우징 내의 사공간을 감소시킴으로써, 퍼지 및 건조에 요구되는 시간이 상당히 감소된다.

Claims

a) 하우징의 길이를 따라 연장되는 챔버와, 상기 챔버로의 유로를 제공하는 일단부의 유입구와, 상기 챔버로부터의 유로를 제공하는 타단부의 유출구를 구비하는 하우징과,

b) 상기 하우징의 유입 단부에 인접한 단부에서 개방된 관형 본체와, 상기 하우징의 유출 단부에 인접한 타단부에 단부벽을 구비하고, 상기 챔버 내에 배치되는 다공질의 소결 금속 필터 요소로서, 상기 관형 본체의 개방 단부는 상기 유입구에 있고, 상기 필터 요소의 내부에는 상기 유입구로부터 상기 단부벽까지 연장되는 내부 유로가 마련되어 있는 것인 필터 요소와,

c) 상기 필터 요소의 외주와 유입구에 인접한 하우징 사이를 기밀하게 밀봉하는 용접부(weldment)

를 포함하는 인라인 필터로서,

상기 필터 요소는 챔버 벽으로부터 간격을 두고 배치되어 그 주변에 플리넘 공간을 제공하여, 상기 필터의 유입 단부로 유입되는 가스류는 필터 요소의 내부 유로를 지나, 필터 요소의 본체로부터 외측으로 나가서 플리넘 공간 내로 들어가고, 그 후 필터의 유출 단부로부터 외측으로 나가는 것인 인라인 필터.
제1항에 있어서, 상기 필터 요소의 단부벽은 상기 관형 본체와 일체로 성형되는 것인 인라인 필터.
제1항에 있어서, 상기 필터 요소의 단부벽은 상기 관형 본체에 결합되는 별도의 플러그인 것인 인라인 필터.
제1항에 있어서, 상기 유입구에 인접한 하우징의 통로에는 상기 챔버의 나머지 부분보다 작은 직경의 쇼울더가 마련되는 것인 인라인 필터.
제4항에 있어서, 상기 필터 요소의 직경은 그 길이를 따라 일정하며, 그 유입 단부는 상기 하우징의 쇼울더 위에 꼭맞게 안착되는 것인 인라인 필터.
제5항에 있어서, 상기 필터 요소의 유입 단부는 상기 하우징의 유입구에 인접한 것인 인라인 필터.
제6항에 있어서, 상기 용접부는 상기 필터 요소와 쇼울더의 접합면 주변에서 연장되는 것인 인라인 필터.
제1항에 있어서, 상기 필터 요소는 상기 챔버의 용적의 75% 이상을 점유하는 길이와 단면을 갖는 것인 인라인 필터.
제1항에 있어서, 상기 필터 요소는 정격 유량에서 최대 투과 입자 크기에 대하여 99.9999999%의 제거 효율이 측정되는 것인 인라인 필터.
a) 하우징의 길이를 따라 연장되는 챔버와, 상기 챔버로의 유로를 제공하는 일단부의 유입구와, 상기 챔버로부터의 유로를 제공하는 타단부의 유출구를 구비하는 하우징으로서, 상기 유입구에 인접한 하우징의 통로에는 상기 챔버의 나머지 부분보다 작은 직경의 쇼울더가 마련되는 것인 하우징과,

b) 상기 하우징의 유입 단부에 인접한 단부에서 개방된 관형 본체와, 상기 하우징의 유출 단부에 인접한 타단부에 단부벽을 구비하고, 상기 챔버 내에 배치되는 다공질의 소결 금속 필터 요소로서, 상기 관형 본체의 개방 단부는 상기 유입구에 있고, 상기 필터 요소의 내부에는 상기 유입구로부터 상기 단부벽까지 연장되는 내부 유로가 마련되어 있으며, 이 필터 요소의 직경은 그 길이를 따라 일정하고 그 유입 단부는 상기 하우징의 쇼울더 위에 꼭맞게 안착되는 것인 필터 요소와,

c) 상기 필터 요소의 외주와 유입구에 인접한 하우징 사이를 기밀하게 밀봉하는 용접부(weldment)

를 포함하는 인라인 필터로서,

상기 필터 요소는 챔버 벽으로부터 간격을 두고 배치되어 그 주변에 플리넘 공간을 제공하고, 상기 필터 요소는 상기 챔버의 용적의 75% 이상을 점유하는 길이와 단면을 갖고, 상기 필터의 유입 단부로 유입되는 가스류는 필터 요소의 내부 유로를 지나, 필터 요소의 본체로부터 나가서 외측으로 플리넘 공간 내로 들어가고, 그 후 필터의 유출 단부로부터 외측으로 나가는 것인 인라인 필터.
제10항에 있어서, 상기 필터 요소의 유입 단부는 상기 하우징의 유입구에 인접한 것인 인라인 필터.
제10항에 있어서, 상기 용접부는 상기 필터 요소와 쇼울더의 접합면 주변에서 연장되는 것인 인라인 필터.
제10항에 있어서, 상기 필터 요소의 단부벽은 상기 관형 본체와 일체로 성형되는 것인 인라인 필터.
제10항에 있어서, 상기 필터 요소의 단부벽은 상기 관형 본체에 결합되는 별도의 플러그인 것인 인라인 필터.
제10항에 있어서, 상기 필터 요소는 정격 유량에서 최대 투과 입자 크기에 대하여 99.9999999%의 제거 효율이 측정되는 것인 인라인 필터.