KR101257959B1 - 포팅된 중공 도관을 구비한 교환 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중공 도관 및/또는 중공 다공성 멤브레인을 포함하는 포팅된 교환 장치로서 하우징이 홈 형성 채널 또는 홈을 포함하는 교환 장치에 관한 것이다. 홈 형성 채널 또는 홈은 포팅 공정 중에 포팅 물질로 충전되어 포팅 물질을 갖는 단일 단부 구조체를 형성한다. 하우징의 내측 상에 형성된 홈 또는 채널은 기계적 열적 조건 하에서 하우징과의 포팅의 무결성을 유지한다.
교환, 열, 질량, 다공성, 무공성, 포팅, 홈, 무결성
Description
[관련 출원의 교차 참조]
본 출원은 2003년 12월 22일 출원된 미국 특허 출원 제60/531, 666호와 2004년 7월 7일 출원된 미국 특허 출원 제60/586,363호의 우선권을 주장하는 출원으로서, 상기 특허 출원 각각의 내용 전체를 본 명세서에 참고로 포함한다.
중공 섬유 및 박벽 중공 튜브가 질량 전달 장치, 열전달 장치 및 교행류 입자 여과 장치에 사용되고 있다. 이와 같은 응용 분야에서, 중공 튜브 또는 다공성 섬유는 유사한 성분의 평판 재료로 제조된 장치에 비해서 더 작은 체적으로도 많은 열과 질량을 전달할 수 있게 하는 높은 체적 대 표면 비를 제공한다.
중공 섬유 또는 중공 튜브는 외경과 외면, 내경과 내면, 그리고 튜브 또는 섬유의 제1 면 또는 측면과 제2 면 또는 측면 사이의 다공성 또는 무공성 재료를 포함한다. 상기 내경은 섬유 또는 튜브의 중공부를 한정하는 것으로 유체들 중 한 가지 유체를 나르는 데 사용된다. 소위 말해 튜브 측면 접촉 중에, 제1 유체상은 루멘이라고도 하는 상기 중공부를 통해서 유동하고, 튜브 또는 섬유를 둘러싸는 제2 유체상으로부터 분리된 채로 유지된다. 쉘 측면 접촉시, 제1 유체상은 튜브 또는 섬유의 외경부와 표면을 둘러싸고, 제2 유체상은 루멘을 통하여 유동한다. 교환 장치에서, 포장 밀도는 장치에서 사용 가능한 유용한 중공 섬유 또는 중공 튜브의 개수와 관련된다.
액체의 가열 또는 냉각이 사용되는 반도체 제조 시의 적용제의 예는 황산 및 과산화수소 포토레지스트 스트립 용액, 질화 규소 및 알루미늄 금속 에칭용 고온 인산 용액, 수산화암모늄 및 과산화수소 SC1 세정 용액, 염산 및 과산화수소 SC2 세정 용액, 고온 탈이온화 물 린스, 및 가열된 유기 아민계 포토레지스트 스트리퍼를 포함한다. 유체와의 질량 교환은 일례로 입자들이 여과 중에 유체로부터 제거되는 경우, 오존 또는 수소와 같은 기체가 물에 첨가되는 경우, 또는 산소와 같은 용해 기체가 동전기 도금 용액과 같은 액체로부터 제거되는 경우에는 특히 중요하다.
쉘의 내경부 표면에 소결된 포팅(potting) 물질로 이루어진 박층을 구비한 쉘 또는 하우징을 마련함으로써 교환 장치가 포팅된다. 중공 섬유 매체를 포함하는 장치 조립체는, 그 조립체를 열가소성 수지로 둘러싸고 그 수지를 용융시키기 위해 조절된 환경에서 온도를 높여서 장치의 한 단부에서 상기 매체를 둘러싸는 공간을 채움으로써 포팅된다. 수지는 충분히 쉘에 흘러들어가 매체를 캡슐화하고 이전 단계에서 포팅 물질로 소결된 쉘의 측벽에 부착될 수 있다. 이전에 사용되던 다른 포팅 방법으로는, 장치를 쉘의 외측에서 중공 튜브를 포팅하고 그 포팅된 영역을 기계 가공해서 접착면을 형성하고 포팅된 물질을 하우징에 가열 접착시키는 것과, 장치를 쉘의 외측에서 튜브를 포팅하고 그 포팅된 영역을 기계 가공해서, O-링이나 기타 다른 접촉 밀봉 방법(이들 부품들은 스냅 링, 나사 형성 체결구 및/또는 2차 접착 작업에 의해 서로 유지될 수 있음)을 이용하여 쉘에 기계적으로 결합될 수 있는 짝결합 플랜지 및 밀봉면을 형성하는 것을 포함한다. 다른 방법으로는 각 섬유에 핀을 삽입하고, 조립체를 포팅하고, 포팅 후에 핀을 제거하는 방법이 있다. 일부 교환 장치는 루멘 내경부를 바인더로 채워서 포팅 및 기계 가공 후에 상기 바인더를 뽑아냄으로써 제조된다.
본 발명의 실시예는, 하우징, 쉘, 또는 하나 이상의 열가소성 포팅된 중공 도관에 접착된 슬리브를 포함하며, 상기 하우징, 쉘 또는 슬리브는 하우징의 표면 상의 홈 또는 채널과 같은 구조체를 포함할 수 있는 교환 장치이다. 홈이 존재하는 경우, 열가소성 포팅 물질은 하우징 표면에 있는 홈의 적어도 일 부분에 충전되고 그 일 부분에 접착되어 포팅된 중공 도관을 구비한 단일 단부 구조체를 형성한다. 이어서 상기 장치의 각 포팅 단부에서의 도관의 중공부를 노출시키기 위해 상기 단일 단부 구조체가 절단 개방된다. 이와 같은 구조체들은 포팅된 장치의 유체 무결성을 유지하면서도 포팅된 장치들이 더 높은 온도와 압력에서 사용될 수 있게 한다. 본 발명의 교환 장치 및 그 교환 장치를 제조하는 방법은, 완전히 접착된 멤브레인 접촉기, 가스 접촉기, 오존 접촉기, 탈지기, 열교환기, 가열기, 가스 세척기, 중공 섬유 필터, 및 이들의 조합을 포함하되 이들에만 제한되지 않는, 공정 유체의 수용을 위한 하우징 수단 내로 작업 매체를 포팅하는 것이 필요한 임의의 장치를 포함한다. 이 장치는 과플루오르화 열가소성 물질을 포함하는 열가소성 물질을 사용하여 제조될 수 있다. 바람직하기로는 교환 장치는 1종 이상의 과플루오르화 열가소성 물질로 제조된다.
본 발명은 하우징 쉘 내의 채널 또는 홈 등과 같은 구조체와 포팅 재료 사이를 기계적으로 상호 연결시키고 그리고/또는 용융 접합시킴으로써 이러한 포트형 장치의 강도를 향상시킨다. 상호 연결 및/또는 접합은 밀봉면에서 기계적 강도를 갖는 몰딩부 기능을 하여, 짝결합을 이루는 부품들의 분리를 방지한다. 일부가 하우징 벽에 평행하지 않을 수도 있는 다수의 홈 및 이들 홈의 추가 표면적은 홈의 적어도 일부 표면에 포팅 수지의 융접 및 접착이 이루어지게 한다. 이론에 구속하려고 하는 의도는 아니지만, 이와 같은 접합은 하우징 쉘의 가열 또는 가압 팽창에 의해 형성된 반경방향 힘에 전단 성분을 가할 수 있다고 생각된다. 이러한 전단 성분은 장치의 강도를 향상시키는 것으로 생각된다.
본 발명의 일 실시예는 열가소성 수지에 의해 하우징이나 슬리브의 적어도 한 단부에 유체 밀봉된 중공 튜브, 다공성 중공 섬유, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있는 하나 이상의 열가소성 중공 도관을 갖는 열가소성 하우징을 포함하는 교환 장치이다. 열가소성 수지는 하우징의 단부 부분으로의 융접 및/또는 기계적 접합에 의해 하우징 내의 돌출부, 홈, 또는 이들의 조합과 같은 하나 이상의 구조체에 유체 밀봉된다. 하우징 구조체 및 수지는 단일 단부 구조체를 형성하고 그 단일 단부 구조체에서는 수지, 도관 및 하우징이 하우징의 일 부분에서 녹는다. 단일 단부 구조체는 도관의 중공부를 개방하기 위해 기계 가공되거나 절단될 수 있다. 교환 장치는 홈의 표면을 포함하는 하우징의 내측면에 소결된 열가소성 코팅을 가질 수 있다. 교환 장치 하우징은 쉘 측과 유체 연통되는 유체 배관재(fluid fitting) 및 장치의 루멘 또는 보어 측과 유체 연통되는 유체 배관재를 포함할 수 있다. 교환 장치는 여러 가지 열가소성 물질로 제조되고, 열가소성 물질은 FEP, PFA, MFA 또는 이들의 조합을 예로 들 수 있지만 이들에만 제한되지는 않는 퍼플루오로폴리머인 것이 바람직하다. 교환 장치는 중공 튜브, 다공성 중공 섬유, 피복(skinned) 중공 섬유, 열가소성 튜브, 동시 압출(co-extruded) 중공 튜브 또는 이들의 조합일 수 있는 포팅된 도관을 포함하는 데, 그렇다고 이들에만 제한되는 것은 아니다. 바람직하기로는 포팅된 중공 도관의 단부는 포팅 공정에 이은 절단에 의해 개방시키는 것이 좋다. 포팅 수지와 하우징 홈과의 기계적 상호연결 및/또는 융착은, 특히 온도 또는 압력에 의해 응력을 받을 때에 쉘과 포팅된 영역을 함께 혼입시키는 역할을 한다. 하우징의 팽창 또는 수축은 포팅된 재료에 비해 감소되어, 조립체(하우징, 포팅, 및 중공 도관)가 일체로 유지된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 열가소성 수지 안에서 포팅된 하나 이상의 유체 밀봉된 중공 도관을 구비하는 열가소성 하우징을 포함하며, 상기 열가소성 수지가 하우징의 내면에 있는 하나 이상의 홈의 체적을 점유하는 교환 장치이다. 포팅 중에 홈과 수지는 중공 도관과 함께 단일 단부 구조체를 형성하고, 상기 단일 단부 구조체에서는 열가소성 수지와 하우징이 홈의 일부에서 융접되고 수지와 중공 도관이 융접되어 단일 단부 구조체를 형성한다. 하우징 내면과 홈은 포팅 수지가 녹아 들어갈 수 있는 소결된 열가소성 수지로 피복될 수 있다. 포팅된 중공 도관은 도관 루멘을 노출시키기 위해서 단일 단부 구조체의 일부를 절단하거나 혹은 기계 가공함으로써 개방된다. 바람직하기로는 교환 장치는 유체 접촉면이 과플루오르화되도록 구성되고, 보다 바람직하기로는 교환 장치는 모두 과플루오르화된 열가소성 물질로 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 기판을 세정하거나 피복하는 데 사용되는 공정 유체와 에너지 또는 질량을 교환하는 장치이다. 이 장치는 도관의 제1 단부 부분에서 열가소성 수지에 융접되는 하나 이상의 열가소성 중공 도관을 구비하는 교환 장치를 포함할 수 있다. 열가소성 수지는, 열가소성 하우징의 제1 슬리브 또는 제1 단부의 내면에 융접되거나, 혹은 열가소성 하우징의 제1 단부에나 혹은 제1 슬리브의 내면 상의 하나 이상의 구조체에 융접될 수 있다. 열가소성 중공 도관의 제2 단부에는 열가소성 수지가 융접된다. 열가소성 수지는, 열가소성 하우징의 제2 슬리브 또는 제2 단부의 내면에 융접될 수 있거나, 혹은 열가소성 하우징의 제2 단부 상의 구조체에나 혹은 제2 슬리브의 내면 상의 하나 이상의 구조체에 융접된다. 작동 유체 또는 교환 유체 공급원은 교환 장치의 제1 유체 입구와, 교환 장치의 제2 유체 입구에 연결된 공정 유체 공급원에 연결된다. 제1 및 제2 유체 입구는 중공 튜브 벽에 의해서 분리되며 또한 하우징 또는 슬리브에 접합된 포팅 재료에 의해 분리된다. 교환 장치의 제2 유체 입구와 유체 연통하는 유체 제어기는 조절된 유체의 제어된 양을 장치에 의해 처리할 하나 이상의 기판에 제공하는 데 사용될 수 있다. 유체 제어기는 하나 이상의 기판을 수용하는 탱크 또는 위어(weir)에 조절된 유체를 제공하거나, 고정되거나 회전하거나 병진 이동하는 기판에 조절된 유체를 직접 제공할 수 있다. 유체 제어기는 유체 펌프, 분배 펌프, 또는 유량 제어기로 구성될 수 있지만 이에 제한되지는 않는다. 교환 유체는 바람직하기로는 온도 조절된 유체 공급원이다. 처리할 기판은 바람직하기로는 실리콘이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 열가소성 수지 안에서 포팅된 하나 이상의 유체 밀봉된 중공 도관을 구비하는 열가소성 하우징을 포함하는 교환 장치이다. 이 교환 장치는 하우징 내의 돌출부, 홈, 또는 이들의 조합과 같은 하나 이상의 구조체에 의해 하우징의 일 부분에 중공 도관이 접합되어 있는 하나 이상의 슬리브 또는 하우징을 바람직하게 구비하는 하나 이상의 동시 압출 열가소성 중공 도관을 포함할 수 있다. 수지는 하우징의 내면 상의 하나 이상의 홈의 체적을 점유하여 그 표면에 접합될 수 있다. 홈일 수 있는 구조체와 수지는, 수지와 하우징이 홈의 일 부분이나 하우징 상의 코팅에서 융접되어서 하나 이상의 중공 도관을 구비한 단일 단부 밀봉체를 형성하고 있는 중공 도관을 구비하는 단일 단부 구조체를 형성한다. 이 장치는 장치의 유체 무결성, 일례로 열가소성 물질의 융점이나 연속 사용 온도 아래의 온도에서 하우징과 포팅 수지 간의 접합이나 중공 도관과 수지 간의 접합을 유지하면서 유체를 처리하는 데 사용될 수 있다. 이와 같은 온도는 중공 도관 벽의 양 측면 상의 유체의 압력에 따라 달라질 수 있다. 이 장치는 장치의 유체 무결성, 일례로 적어도 50℃, 바람직하기로는 적어도 140℃, 보다 바람직하기로는 200℃까지, 가장 바람직하기로는 200℃ 이상이지만 열가소성 물질의 융점이나 연속 사용 온도 아래의 온도에서 하우징과 포팅 수지 간의 접합이나 중공 도관과 수지 간의 접합을 유지하면서 유체를 처리하는 데 사용될 수 있다. 바람직하기로는 교환 장치는 유체의 압력이 적어도 10 psig, 바람직하기로는 적어도 50 psig, 보다 바람직하기로는 70 psig 이상일 때에 상기와 같은 온도에서 유체의 무결성을 유지한다. 장치의 무결성은 3 ~ 99 체적%, 바림직하기로는 20 ~ 70 체적%, 더 바람직하기로는 40 ~ 60 체적%의 중공 도관 포장 밀도를 갖는 교환 장치에 대해서 유지될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 교환 장치의 제조 방법으로서 하우징 또는 슬리브의 한 단부 부분 안으로 열가소성 물질을 유입시키는 것을 포함하고, 상기 하우징 또는 슬리브는 돌출부, 홈, 또는 이들의 조합과 같은 구조체를 하우징 또는 슬리브의 내면 상에 선택적으로 구비하고, 열가소성 물질은 하우징 또는 슬리브 내에 위치된 하나 이상의 중공 도관들 사이에서 유동하는 것을 특징으로 하는 교환 장치의 제조 방법에 관한 것이다. 하우징 내의 홈들은 하우징 또는 슬리브의 표면이나 축을 따라서 다른 홈이나 통기 채널(vent channel)에 의해 상호 연결될 수 있다. 본 실시예의 방법은 열가소성 물질과 중공 도관 사이의 유체 밀봉과 열가소성 포팅 수지와 하우징 간의 유체 밀봉을 형성하여서 단일 단부 구조체를 형성하는 것도 추가로 포함한다. 홈이 사용되는 경우, 바람직하기로는 상기 열가소성 포팅 수지가 하우징 또는 슬리브 내의 홈의 적어도 일 부분을 점유하고, 더 바람직하기로는 상기 수지는 하우징 및 홈 표면을 피복하는 소결된 열가소성 물질이나 홈의 일 부분과 함께 융접된다. 도관의 중공 부분은 유체가 중공 도관을 관통하여 유동하게 할 수 있도록 절단되어 개방되거나 혹은 기계 가공될 수 있다. 바람직하기로는 하우징은 하우징 표면들 중 하나 이상의 표면에 포팅 수지와 융접될 수 있는 열가소성 물질로 된 코팅을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예는 2개의 측면과 이들 측면 사이에 개재된 열가소성 벽을 구비한 적어도 하나의 중공 도관의 제1 측면 상에 처리할 공정 유체를 유동시키는 것을 포함하고, 상기 중공 도관은 열가소성 물질 내에서 유체 밀봉되게 포팅되는 것을 특징으로 하는 유체 처리 방법에 관한 것이다. 상기 열가소성 포팅 물질은 장치용의 하우징에 접합되고, 하우징은 포팅 수지와 융접될 수 있는 하우징의 내측면 상에 내면의 적어도 일 부분, 하나 이상의 구조체의 일 부분이나 혹은 이들의 조합에 소결되거나 동시 압출되거나 성형되는 열가소성 물질을 구비한다. 하우징에 홈이 있는 경우, 하우징 홈의 적어도 일 부분은 열가소성 물질에 접합되어 열가소성 물질과 중공 도관과 하우징 사이의 유체 밀봉을 형성한다. 본 실시예의 방법은 중공 도관의 제2 측면 상으로 교환 유체 또는 작동 유체를 유동시킴으로써 에너지, 질량, 또는 이들의 조합을 처리할 공정 유체와 교환시키는 것을 포함한다. 에너지, 질량, 또는 이들의 조합은 중공 도관 벽을 통하여 공정 유체로 전달되거나 혹은 공정 유체로부터 교환 유체로 전달된다. 중공 도관은 무공성 중공 튜브, 피복(skinned) 또는 무피복(unskinned) 다공성 중공 섬유, 동시 압출 무공성 중공 튜브, 동시 압출 다공성 중공 튜브, 또는 이들의 조합 중 하나 이상으로 구성될 수 있다.
본 발명의 여러 실시예의 교환 장치는 홈과 같은 구조체에 의해, 중공 도관이 하우징이나 슬리브에 접합될 수 있게 되며, 또한 합체되어서 열가소성 수지 용융물 내에 기포를 형성하게 되는 발생 가스 또는 용해 가스가 배기될 수 있게 된다는 점에서 이점이 있다. 열가소성 수지, 바람직하기로는 과플루오르화 열가소성 수지는 약 100℃ 이상의 온도에서 용융된다. 본 발명의 교환 장치에 사용된 열가소성 물질은 포팅 공정 중에 중공 도관의 일부와 하우징 또는 홈에 융접된다. 본 발명의 교환 장치는 서로 접합됨으로써 기계적 잠금 핀, 실리콘 수지, 및 기타 다른 비-과플루오르화 폴리머 접착 수지를 필요치 않게 하는 모든 종류의 과플루오르화 물질로 제조될 수 있다. 또한, 본 발명의 교환 장치는 하우징에 접착되는 강화 리브를 필요 없게 한다. 강화 리브를 없애게 되면 제조 비용을 저감할 수 있고 많은 수의 중공 도관을 장치에 사용할 수 있게 하여 결과적으로는 접촉 면적과 포장 밀도를 더 높일 수 있게 되어 전달 성능과 효율이 향상된다. 본 발명의 교환 장치에 중공 도관이 접합되는 하우징 내의 홈, 단부 캡(endcap), 또는 슬리브와 같은 구조체를 제공함으로써, 쉽게 입수할 수 있거나 쉽게 기계 가공할 수 있는 부품을 사용하여 하나 이상의 다른 단부 캡을 구비하는 교환기, 용접 가능한 무간극 교환기, 및 침지식 교환기를 포함한 다양한 장치를 제조할 수 있게 된다. 바람직하게도, 고순도 분야의 경우에, 본 발명의 교환 장치에서는 유체와 오염물을 가둘 수 있는 포팅 수지 내의 응력 완화 채널이 필요 없게 된다. 이러한 점에 의해 제조 공정이 간단해지고 다수의 박벽 중공 도관을 교환 장치에 사용할 수 있게 된다.
본 발명의 여러 실시예에서의 또 다른 태양, 특징, 이점 및 유리한 점들은 이하에서의 설명, 특허청구범위, 및 첨부된 도면과 관련하여 숙지할 때에 명확해질 것이다.
도1a 내지 도1c는 열교환기, 질량 교환기, 또는 이들의 조합 장치용의 본 발명에 따른 교환 장치의 여러 형태를 도시하는 것이다.
도1a는 열가소성 수지에 포팅시킴으로써 하우징에 유체 밀봉된 중공 튜브, 중공 섬유, 또는 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 중공 도관을 구비하는 단부 캡을 구비한 하우징을 도시하는 것으로, 상기 수지와 중공 도관은 초기에는 하우징에 접합되어서 하우징의 각 단부에 단일 단부 구조체를 형성하고, 이어서 상기 단일 단부 구조체는 튜브가 개방되도록 절단되는데, 도면에서는 열가소성 포팅 물질이 하우징에 형성된 홈 또는 채널의 적어도 일 부분에 충전된 것으로 도시되어 있다.
도1b는 하우징에 접합된 열가소성 수지에 접합된 하나 이상의 중공 도관에 의하여 연결된 별개의 하우징 또는 슬리브에 접합된 단부캡을 구비하는 교환 장치를 도시하는 도면이다.
도1c는 유체 단부 캡이 없는 교환 장치를 도시하는 도면이다.
도2a 및 도2b는 쉘과 포팅 사이의 계면에 기계적 이점, 접착, 및 증가된 표면적을 추가시킬 수 있는 하우징 또는 슬리브벽 내의 비제한적 요소로서의 사다리꼴 형상의 홈 또는 채널(도2a 부분)과 직사각형 형상의 홈 또는 채널(도2b 부분)을 도시하는 도면으로, 상기 채널은 접착용의 소결된 열가소성 물질로 피복될 수 있고 여러 가지 형상을 가질 수 있는 것이다.
도3은 열가소성 수지가 채널의 적어도 일 부분에 충전되고 바람직하게는 채널의 일 부분에 융접되어 있는 하나 이상의 홈 또는 채널을 포함하는 하우징 또는 슬리브의 한 단부 부분에 대한 개략도로서, 개방된 중공 튜브, 다공성 중공 섬유, 또는 이들의 조합이 수지에 포팅되어서 하우징 벽 및 홈과 유체 밀봉을 형성하고 있는 것을 도시하고 있는 것이고, 상기 하우징 벽과 홈은 그들 표면에 융접되는 분말상 또는 성형된 열가소성 물질을 구비할 수 있다.
도4는 본 발명의 교환 장치, 바람직하기로는 열가소성 수지에 포팅된 하우징 및 중공 도관 내에 홈을 구비하며 상기 수지는 하우징 벽 및 홈과 접합되어 있는 구성의 교환 장치를 도시하는 것으로, 상기 교환 장치를, 단일 웨이퍼 클리닝 툴(cleaning tool)과 같은 처리조(bath) 또는 기판 홀더(substrate holder)에서 기판을 세정하거나, 코팅하거나, 화학적으로 개질시키기 위해 사용되는 공정 유체의 온도를 조절하는 장치의 일부로서 도시하고 있는 도면이다.
도5는 본 발명에 따른 하나 이상의 교환 장치, 바람직하기로는 하우징 내에 하나 이상의 홈을 구비하며 중공 도관이 하우징 내부의 각 단부에 포팅되어서 하우징 벽, 홈 및 상기 중공 도관과 융접되는 열가소성 수지로 유체 밀봉을 형성하고 있는 교환 장치를 도시하는 것으로, 상기 교환 장치를, 공정 유체 조절하며 또한 공정 유체를 배출하기 전에 그 공정 유체를 조절하는 장치의 일부로서 도시하고 있는 도면이다.
도6은 본 발명의 교환 장치, 바람직하기로는 하우징 내에 하나 이상의 홈이 구비되어 있으며 하우징의 벽 및 하우징 내의 홈과 접합 및 융접되는 열가소성 수지로 유체 밀봉을 형성하기 위하여 포팅된 중공 도관 또는 중공 섬유를 구비하는 구성의 교환 장치를 도시하는 것으로, 상기 교환 장치를, 회전하고, 병진 이동하거나 또는 고정될 수 있는 기판에 공정 유체를 분배하기 전에 그 공정 유체를 조절하는 장치의 일부로서 도시하고 있는 도면이다. 제한적이지 않은 예로 도시한 이 도면에서, 기판을 세정하거나 코팅하기 위한 유체 공급원으로부터 나온 유체는 선택적인 입자 필터에 의해 여과되며 에너지, 질량, 또는 이들의 조합은 교환 장치를 통해 바람직하기로는 대향류 방식으로 통과함에 따라 교환 장치에 의해 공정 유체에 가해지거나 혹은 공정 유체로부터 제거된다. 교환 장치는 교환 유체와 상호 작용하는 중공 튜브 벽을 통해서 에너지를 공정 유체로 전달하거나 혹은 공정 유체로부터 전달받는다. 기판에 분배되는 유체의 양을 조절하는 데에 온도 제어기, 압력 제어기, 및 유량 제어기가 사용될 수 있다. 조절된 공정 유체, 코팅 유체, 또는 세정 유체는 고정되거나, 병진 이동하거나, 또는 회전될 수 있는 기판에 펌프에 의해서 공급될 수 있다. 도면에 도시된 장치는 입자 필터, 밸브, 유량 제어기, 및 펌프를 포함하며, 유체는 가압 공급원으로부터 나올 수 있다.
도7a는 쉘의 내부에 하나 이상의 평행 홈이 구비된 것으로 도시된, 교환 장치용으로 사용될 수 있는 슬리브의 단부 부분 또는 하우징의 단부 부분을 도시하는 것으로, 이 도면에서는 평행 홈을 상호 연결하는 통기 슬롯 또는 통기 채널이 상기 홈에 구비되어 있는 것으로 도시되어 있는데, 완성된 교환 장치는 하나 이상의 단부 부분을 포함한다. 도7b는 도7a의 단면도이다. 도7c는 열가소성 수지 내에서 슬리브에 포팅된 하나 이상의 중공 튜브를 구비하는 하우징 또는 슬리브의 단부 부분을 단면도로 도시한 도면이다. 도7d는 열가소성 수지 내에서 슬리브에 포팅되고 단부 부분에서 함께 융접된 하나 이상의 동시 압출 중공 튜브를 구비하는 하우징 또는 슬리브의 단부 부분을 단면도로 도시한 도면이다.
도8은 교환 장치의 누출, 밀봉 무결성, 및 성능을 시험하기 위하여 사용될 수 있는 시험 매니폴드를 도시하는 도면이다.
도9는 교환 장치의 하우징 또는 슬리브의 단부 부분의 단면도로서, 이 도면 에는, 하우징의 벽의 일부에 있는 하나 이상의 홈, 하우징의 내벽으로부터 측정한 하우징 내의 홈의 깊이, 하우징 벽 내의 슬롯 또는 채널에 의해 상호 연결된 하나 이상의 홈, 하우징 또는 슬리브 벽에 소결된 것으로 도시되어 있는 분말상 열가소성 물질이 도시되어 있다.
도10은 하우징의 벽의 일부에 형성된 하나 이상의 평행 홈과, 하우징 또는 슬리브 벽 내의 평행 홈을 상호 연결하는 하우징의 축을 따르는 하나 이상의 홈 또는 슬롯을 구비하며, 상기 홈들은 그 홈들 사이에 다른 벽 높이를 가지는 구성으로 된, 교환 장치의 하우징 또는 슬리브의 단부 부분의 단면도이다.
도11은 하나 이상의 평행 홈과, 하우징 벽 내에서 인접하는 평행 홈들을 상호 연결하는 하우징의 축을 따르는 하나 이상의 홈을 구비하고, 인접하는 홈들 사이의 벽 높이는 하우징의 길이를 따라서 변화하는 구성으로 되어 있고, 중공 튜브 또는 섬유와 같은 중공 도관이 가열된 용기에 포팅된 것으로 도시되어 있는, 교환 장치의 하우징 또는 슬리브의 단부의 단면도이다.
도12의 (A)는 동시 압출 튜브의 단면도이고, 도12의 (B)는 내부 PFA 층 및 외부 MFA 층을 구비한 동시 압출 과플루오르화 열가소성 튜브의 단면의 일부의 화상이고, 도12의 (C)는 도12의 (B)의 동시 압출 튜브의 단면의 전체 화상이며, 도12의 (D)는 열가소성 수지에 포팅되고 열가소성 튜브에 접합된 도12의 (C)의 동시 압출 튜브의 단면을 도시하는 도면이다.
도13의 (A)는 포팅 수지에 융접된 찌그러진 중공 튜브의 단면의 일부의 화상이고, 도13의 (B)는 과플루오르화 열가소성 슬리브에 포팅된 동시 압출 과플루오르화 튜브의 단면의 일부의 화상이고, 도13의 (C)는 상기 (A)로부터 포팅 수지에 융접된 찌그러진 중공 튜브의 단면의 전체 화상이고, 도13의 (D)는 상기 (B)로부터 과플루오르화 열가소성 슬리브에 포팅된 동시 압출 과플루오르화 튜브의 단면의 전체 화상이다.
도14는 열교환기용의 본 발명에 따른 교환 장치의 여러 형태를 단면도로 나타낸 것으로, 하우징은 중공부 내에 하나 이상의 저항 필라멘트를 수용하는 하나 이상의 포팅된 중공 도관을 포함하고, 수지 및 중공 도관은 하우징의 벽 내의 하나 이상의 홈에 접합된다.
본 발명의 구성 및 방법을 설명하기에 앞서, 본 발명은 여기에서 설명하고 있는 특정 분자, 성분, 방법론, 또는 규약에 제한되지 않는다는 점을 주지시키고자 한다. 또한 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명의 특정 형태 또는 실시예를 설명하기 위한 것이지 본 발명의 범위를 제한하려고 하는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해서만 제한될 뿐이라는 점도 주지하고 있어야 한다.
또한 주지해야 할 점은, 본 명세서 및 특허청구범위에서 사용된 단수 형태(영문에서 "a", "an", "the")의 용어는 문맥이 다른 의미를 명확히 나타내지 않는 한은 복수의 지시를 포함하는 것이다. 따라서, 일례로 "중공 튜브"라고 할 때에 이 용어는 하나 이상의 중공 튜브, 당업자에게 알려진 그에 대한 균등물 등을 지시하는 것이다. 달리 정의하지 않는 한, 여기에 사용된 모든 기술 용어와 과학 용어는 당업자들이 공통적으로 이해하고 있는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 설명하고 있는 것과 유사하거나 동등한 어떠한 방법이나 재료도 본 발명의 실시예를 실시하고 시험하는 데 사용될 수 있지만, 여기에서는 본 발명의 양호한 방법, 장치, 및 재료에 대해서 설명한다. 본 명세서에서 언급되는 모든 간행물은 본 명세서에 참고 내용으로 포함된다. 본 명세서의 그 어떤 것도 본 발명이 종래의 발명에 의해 개시된 것에 비해 시기적으로 앞서지 않는다고 하는 시인으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명의 교환 장치의 여러 실시 형태는 포팅 공정 중에 제1 단부 부분이 열가소성 수지에 융접 또는 접합되는 하나 이상의 열가소성 중공 도관을 포함할 수 있다. 도관에 접합된 열가소성 수지는 제1 슬리브의 내면 상에서의 포팅에 의해 내면 및/또는 하나 이상의 구조체에 융접 또는 접합되거나 혹은 열가소성 하우징의 제1 단부 상의 구조체에 융접 또는 접합될 수 있다. 열가소성 중공 도관의 제2 단부 부분은 열가소성 수지와 융접 또는 접합되고, 상기 열가소성 수지는 제2 슬리브의 내면 상에서 그 내면 또는 하나 이상의 구조체에 융접되거나 혹은 열가소성 하우징의 제2 단부 상에서 구조체에 융접된다. 융접된 도관의 중공부는 수지를 절단하여 도관 단부를 개방함으로써 개방된다. 열가소성 수지가 접합된 하우징 또는 슬리브 상의 표면은 돌출부, 홈, 또는 이들의 조합와 같은 구조체를 포함하고, 상기 구조체는 바람직하기로는 하우징 또는 슬리브의 표면에 있는 홈이다. 교환 장치의 중공 도관은 중공 튜브, 다공성 중공 섬유, 피복된 중공 섬유, 열가소성 튜브, 동시 압출된 중공 튜브, 또는 이들의 조합으로 구성할 수 있다.
본 발명의 교환 장치 및 그 교환 장치를 제조하는 방법은 일례로 박벽 중공 튜브 또는 다공성 중공 섬유와 같은 작동 매체를 하우징이나 하나 이상의 슬리브에 열가소성 수지로 포팅시키는 것을 포함한다. 하우징에 포팅된 중공 튜브 또는 섬유는, 이들의 벽을 통해서, 조절할 공정 유체를, 질량, 에너지, 또는 이들의 조합을 공정 유체와 주고받는 교환 또는 작동 유체로부터 분리한다. 이와 같은 교환 장치는 완전히 접합된 멤브레인 접촉기, 가스 접촉기, 오존 접촉기, 탈기기, 열교환기, 가스 세정기, 가열기, 중공 섬유 필터, 또는 이들의 조합을 포함하는데, 그렇다고 이에 제한되지는 않는다. 이와 같은 장치들은 열, 질량, 또는 이들의 조합을 중공 열가소성 튜브에 의해 분리된 유체들 사이에서 교환하거나 전달하는 데 이용된다. 이들 장치들은 침지형으로 구성하거나, 공정 및 교환 유체를 별도로 수용하는 하우징을 포함할 수도 있다.
교환 장치의 일 실시예는 제1 단부가 열가소성 수지에 융접된 하나 이상의 동시 압출 열가소성 중공 도관을 포함하고, 상기 열가소성 수지는 열가소성 하우징의 제1 슬리브의 내면 또는 제1 단부에 융접된다. 열가소성 중공 도관의 제2 단부 부분은 열가소성 수지와 융접되고, 상기 열가소성 수지는 열가소성 하우징의 제2 슬리브 또는 제2 단부에 융접된다. 포팅된 단일 단부 구조체로부터 나온 중공 도관의 단부들은 열가소성 수지 및 도관의 일부를 절삭하거나 밀링함으로써 유체 유동에 개방될 수 있다. 선택적으로 교환 장치 하우징 또는 슬리브는 하나 이상의 유체 배관재(fluid fitting)를 포함할 수 있다. 동시 압출 중공 도관은 중공 도관을 구성하는 하나 이상의 층과 혼합 또는 조합된 열 전도성 재료를 포함할 수 있다. 교환 장치의 열가소성 하우징 또는 슬리브는 포팅 공정 중에 포팅 수지와 융접될 수 있게 하는 성분을 가질 수 있다. 열가소성 물질, 내부 표면 상에 소결된 물질을 갖는 열가소성 물질, 하나 이상의 열가소성 층을 구비한 동시 압출 열가소성 물질, 하나 이상의 열가소성 부분을 구비한 성형된 열가소성 물질로 제조된 하우징 또는 슬리브를 포함할 수도 있다. 바람직하기로는 하우징은 접합 공정 중에 포팅 물질과 융접될 수 있는 포팅 물질과 접촉하는 하우징 또는 슬리브의 벽의 일 부분 상에 열가소성 물질을 가질 수 있다. 하우징 또는 슬리브는 매끄러운 표면을 가지거나, 내면 상에 형성되어 포팅 수지와 접합되는 하나 이상의 구조체를 가질 수 있다.
본 발명의 유체-유체 상 접촉기 또는 교환 장치는 열가소성 폴리머 물질로 제조되고, 바람직하기로는 과플루오르화 폴리머로 제조될 수 있다. 본 발명의 장치는 조절할 유체를 작동 유체 또는 교환 유체와 접촉시키는 데 사용될 수 있다. 접촉기 또는 교환 장치는 일례로 도1a에 도시된 바와 같이 다수의 과플루오르화 열가소성 중공 멤브레인 또는 중공 튜브(130)의 다발을 포함한다. 이와 같은 중공 튜브는 다공성 혹은 무공성으로 구성될 수 있고, 튜브 각각은 제1 단부(110)와 제2 단부(122)를 갖는다. 멤브레인과 튜브는 내면(109)과 외면(111)을 구비한다. 중공 멤브레인 및 중공 튜브에 있어서, 내면은 루멘 또는 보어를 포함한다. 중공 도관은 무공성 중공 튜브와, 다공성 피복 내면, 다공성 외면, 및 이들 내면과 외면 사이의 다공성 지지 구조체를 구비하는 중공 섬유 멤브레인과, 무공성 피복 내면, 다공성 외면, 및 이들 내면과 외면 사이의 다공성 지지 구조체를 구비하는 중공 섬유 멤브레인과, 다공성 피복 외면, 다공성 내면, 및 이들 외면과 내면 사이의 다공성 지지 구조체를 구비하는 중공 섬유 멤브레인과, 무공성 피복 외면, 다공성 내면, 이들 외면과 내면 사이의 다공성 지지 구조체를 구비하는 중공 섬유 멤브레인 중에서 선택될 수 있다. 도관 또는 멤브레인의 다발의 각 단부는, 주변 과플루오르화 열가소성 하우징을 구비하는 단일 단부 구조체를 형성하기 위해, 액체 밀봉 과플루오르화 열가소성 밀봉재로 포팅할 수 있는데, 섬유 단부들은 도1a에 도면 부호 110 및 122로 나타낸 바와 같은 유체 유동에 대한 개구부가 된다. 일 실시예에서, 하우징(124)은 채널 또는 홈을 구비하는 내벽(104, 116)과, 열가소성 포팅 수지로 채워진 부분과, 외벽을 구비한다. 하우징의 내벽은 내부 하우징 벽과 중공 튜브 또는 중공 섬유 멤브레인의 외측(111) 사이에 유체 체적을 한정한다. 하우징은 하우징 입구(112)에서 공급될 수 있는 제2 유체와 접촉하도록 상기 다발의 제1 단부(110)에 제1 유체를 공급하는 제1 유체 입구(102)를 구비한다. 하우징은 접촉 중인 제1 유체를 하우징 튜브(130)의 제2 또는 출구 단부(122)로부터 제거하기 위한 제1 유체 출구 접속부(118)를 구비한다. 하우징 유체 인입 접속부(112)는 제1 유체와 접촉하게 되는 제2 유체를 중공 섬유 또는 튜브의 벽을 통해서 공급하는 데 사용될 수 있다. 제2 유체는 하우징(124)의 내벽과 중공 멤브레인 또는 튜브(130) 사이에 형성된 체적을 차지한다. 하우징은 접촉하고 있는 제2 유체를 제거하기 위한 제2 출구 접속부(134)를 포함한다.
유체-유체 상 접촉기를 실질적으로 열가소성 폴리머, 바람직하기로는 제1 유체를 제2 유체와 접촉시키기 위한 과플루오르화 열가소성 폴리머로 제조하는 방법은, 제1 단부와 제2 단부를 구비하는 중공 섬유 멤브레인, 중공 튜브, 또는 이들의 조합과 같은 다수의 과플루오르화 열가소성 중공 도관의 다발을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 중공 도관은 외면과 내면을 구비하며, 멤브레인 내면은 루멘 또는 보어를 포함할 수 있다. 본 발명 장치 및 그 장치를 제조하는 데 사용될 수 있는 중공 섬유 멤브레인은, 다공성 피복 내면, 다공성 외면, 및 이들 내면과 외면 사이의 다공성 지지 구조체를 구비하는 중공 섬유 멤브레인과, 무공성 피복 내면, 다공성 외면, 및 이들 내면과 외면 사이의 다공성 지지 구조체를 구비하는 중공 섬유 멤브레인과, 다공성 피복 외면, 다공성 내면, 및 이들 외면과 내면 사이의 다공성 지지 구조체를 구비하는 중공 섬유 멤브레인과, 무공성 피복 외면, 다공성 내면, 이들 외면과 내면 사이의 다공성 지지 구조체를 구비하는 중공 섬유 멤브레인으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 도11에 도시된 바와 같이, 중공 도관(1106)은 채널 또는 홈(1112)이 형성된 내벽과 외벽(1104)을 구비하는 과플루오르화 열가소성 하우징 또는 과플루오르화 열가소성 슬리브(1102)의 단부에 위치되어서 그에 의해 둘러싸인다. 중공 도관(1106)은, 중공 도관의 단부와의 액체 밀봉 과플루오르화 열가소성 밀봉부를 형성하기 위한 목적과 그리고 하나 이상의 채널 또는 홈(1112, 1116)에 열가소성 수지를 가지고 접합시키는 것을 포함하는 과플루오르화 열가소성 하우징을 둘러싸는 것에 의해 단일 단부 구조체를 형성하기 위한 목적을 가지고 과플루오르화 열가소성 물질(1108)을 사용하여, 하우징 내에 위치된 상기 다발의 각 단부나 혹은 각기 다른 하우징 슬리브(도1c에 도시된 바와 같은 구조체)에 포팅된 상기 다발의 각 단부에 포팅된다. 바람직하기로는, 포팅 후에, 중공 도관의 단부는 중공 도관을 관통하는 유체 유동을 제공하기 위하여 각 슬리브(도1c에 도시된 바와 같은 구조체)의 단부 또는 하우징의 양 단부에서 개방된다. 본 발명의 방법은 하나 이상의 접합된 단부캡, 도관, 또는 하나 이상의 유체 배관재를 제공할 수 있도록 장치의 하우징이나 하나 이상의 슬리브를 수정하는 작업도 포함한다. 선택적으로, 본 발명의 장치는 유체 유동 회로 또는 용기에 바로 접합되거나 용접될 수 있다. 본 발명 장치는 침지형 장치로 사용되거나 혹은 유체 유동 회로와 직렬로 사용될 수 있다. 비제한적인 실시예에서, 도1a의 하우징(124)은, 입구(112)에서 공급될 수 있는 제2 유체와 접촉하게 되는 다발의 제1 단부(110)에 제1 유체를 공급하기 위하여 하우징 단부(132)에 접합된 유체 입구(102)를 구비한 제1 단부캡(136)을 구비할 수 있다. 하우징은 중공 도관(130)의 제2 또는 출부 단부(122)로부터 접촉하고 있는 제1 유체를 제거하기 위하여 하우징 단부(121)에 접합된 유체 출구 접속부(118)를 갖추고 있는 제2 단부캡(120)을 구비할 수 있다. 하우징 유체 인입 접속부(112)는 하우징(124)에 접합되어서, 중공 도관(130)의 벽을 통해서 상기 제1 유체와 접촉하게 되는 제2 유체를 공급하는 데 사용될 수 있다. 제2 유체는 하우징(124)의 내벽과 중공 도관(130) 사이에 형성된 체적을 점유한다. 하우징은 접촉된 제2 유체를 제거하기 위하여 하우징(124)에 접합된 제2 출구(134) 접속부를 포함할 수 있다.
중공 도관 코드, 중공 섬유 또는 중공 튜브를 하우징 안으로 포팅시키고 접합시키는 것은 일례로 미국 뉴저지주 토로페어(Thorofare)에 소재하는 오시몬트 유에스에시 인코포레이티드(Ausimont USA Inc.)로부터 입수할 수 있는 하이플론(Hyflon: 상표명) MFA 940 AX 수지와 같은 것으로서 이에 제한되지 않는 열가소성 수지 포팅 물질을 사용하여 한 단계로 시행될 수 있다. 본 발명 장치는, 일례로 중공 튜브 또는 중공 섬유를 프레임 상에 감아서 어닐링하여 제조된 적어도 하나의 폐단부를 갖는 다발 중공 튜브 및/또는 중공 섬유 코드 길이부를, 대략 0.318 내지 0.635 cm(1/8 내지 1/4 인치)만큼 포트의 바닥면으로부터 들어올려진 포트 안에 수직으로 배치함으로써 제조될 수 있다. 팰릿 형태의 열가소성 수지는 장치의 쉘의 외측 둘레에 배치되고, 포트는 수지를 용융시키기 위해 가열된다. 온도는 중공 섬유에 대해서는 약 270 내지 285℃로 하고, 박벽 중공 튜브 및 동시 압출 중공 튜브에 대해서는 280 내지 305℃로 할 수 있다. 수지는 녹아서 수두 압력 및 모세관 작용에 의해 쉘 안으로 유동하여 루멘들 사이에서 유동한다. 용기에 수용된 용융 열가소성 폴리머의 풀(pool) 내에 형성된 임시 홈을 형성하기 위한 선택적 방법도 가능하다. 중공 도관은 한정된 수직 위치에 지지되고, 열가소성 폴리머는, 이를 중공 도관 둘레에서 임시 홈 안을 유동할 수 있도록 용융된 상태로 유지되면서, 중공 도관의 수직 상향으로는 하우징 또는 슬리브 벽 내의 홈과 같은 형상의 하나 이상의 구조체와 중공 도관 사이의 틈 공간을 채우게 된다. 임시 홈은 중공 도관의 다발을 제위치에 위치시키고 고정하기에 충분한 시간 동안 용융된 포팅 물질 내에 홈으로서 유지되다가 이어서 용융 열가소성 물질에 의해 채워지는 홈이다. 홈의 임시적인 성질은 포팅 물질이 유지되는 온도에 의해 조절될 수 있는데, 상기 포팅 물질이 유지되는 온도에서는 중공 도관 다발을 배치하는 동안 포팅 물질의 물리적 성질이 유지된다. 중공 도관의 단부는 실링, 플러깅, 또는 바람직한 실시예로서는 루프 내에 형성시킴으로써 폐쇄될 수 있다.
도12의 (A) 및 (C)에 도시된 바와 같은 하나 이상의 열가소성 물질 층을 구비하는 동시 압출 중공 도관, 중공 튜브, 및 중공 섬유는 앞에서 설명한 바와 같은 방법을 이용하여 포팅될 수 있고, 또 다른 한편으로는 서로 융접되어서, 거의 평행하게 서로 접촉하는 다수의 중공 도관을 하우징 또는 슬리브 내에 배치함으로써 슬리브 또는 하우징에 융접될 수도 있다. 가열된 유체는, 도관의 하부 용융 외부 열가소성 층을 서로 용융시키기 위하여 동시 압출 공동 도관의 단부 내부 안으로 도입될 수 있고, 또한 슬리브에서 중공 도관의 일체로 접합된 유체 밀봉 배치를 형성하기 위해 하우징 벽으로 도입될 수 있다. 표면에 홈 또는 돌출부와 같은 구조체를 선택적으로 구비하는 하우징 또는 슬리브는 중공 도관과 접합될 수 있는 내면에 성형되거나 혹은 내면에 융접되는 열가소성 층을 구비할 수 있다. 선택적으로, 제1 단계에서 서로 접합된 융접 튜브는 하우징 내에서 열가소성 수지로 포팅될 수 있다.
중공 튜브를 포팅하는 또 다른 방법은 포팅 수지, 중공 튜브, 및 하우징의 단일 단부 구조체를 형성하기 위하여 하우징 단부 또는 슬리브 내의 다수의 열가소성 중공 튜브 또는 섬유의 일부를 열가소성 포팅 수지 안으로 융접시키는 것을 포함한다. 하우징 또는 슬리브의 내부는 그 표면에 하나 이상의 융접 가능한 돌출부, 하나 이상의 채널 또는 홈을 구비한다. 선택적으로, 동시 압출 하우징의 내부층은 포팅 수지에 융접될 수 있는 열가소성 층을 구비할 수 있다. 이 공정은, 도11에 예시된 바와 같이, 조립체(하우징(1102), 중공 튜브(1106), 및 수지(1108))를 가열 컵(1136) 안에 배치하는 것과, 수지(1108), 중공 튜브(1106), 및 하우징(1102)이 중공 튜브(1106)의 구조체의 손실이 없이 서로 융접될 수 있을 때까지 외부의 가열 블록 또는 기타 열원을 가지고 포팅 수지(1108)를 가열 컵(1136) 내에서 가열하는 것을 포함한다. FEP, PFA 및 MFA 등과 같은 과플루오르화 열가소성 물질에 있어서, 완전한 용융 단계로 들어서서 갇혀 있는 기포가 없는 상태로 되기까지의 온도는 약 265℃ 내지 약 305℃, 바람직하기로는 약 280℃ 내지 약 305℃의 범위이다. 가열하는 중에, 수지 용융물은 쉘의 내측 상에서 쉘의 외측과 동등하거나 거의 동등한 높이에 이를 때까지 쉘 내에서 섬유들 사이에서 위로 유동한다. 선택적으로, 홈 또는 공동을 형성하기 위하여 용융물 안으로 봉이 삽입되기도 한다. 이어서 홈 또는 채널(1112, 1116)을 구비하는 하우징(1102)과 중공 튜브 다발(1106)이 공동 안으로 삽입된다. 이 때, 중공 튜브 다발이나 하우징 그 어느 것도 포팅 수지와 접촉하지 않는다. 용융 수지(1108)는 중력에 의해 유동하여서 중공 튜브를 하우징에 동시에 포팅하고 접합시키는 시간에 걸쳐 하우징 내의 공극 및 채널을 채운다. 냉각한 후에, 포팅 공정을 하우징 또는 다른 슬리브의 대향 단부(도시되지 않음)에 대해서 반복한다. 포팅된 단부가 냉각된 후에 이어서 절단되면, 중공 튜브의 루멘이 노출된다. 포팅된 단부는 공작 기계에 의해 밀링되고 절삭되어서 중공 튜브가 개방되고 도7c에 도시된 바와 같이 하우징 또는 슬리브의 단부 부분(727)으로부터 떨어져서 홈 형성 포팅 영역(725)을 형성한다. 중공 튜브(130)는 포팅 수지(106, 114) 각각과의 유체 밀봉부(108, 126)를 형성한다. 포팅 표면은 얼룩진 면이나 거친 포팅 면을 녹여 없애기 위해 가열 건을 사용하여 추가로 연마된다. 일례로 2000개 이상과 같은 다수의 중공 튜브를 구비한 모듈에 있어서, 그 모듈은 포팅 결함을 가질 수 있는데, 그 결함은 손상된 영역을 녹여서 메우기 위해 클린 솔더링 아이언(clean soldering iron)을 사용하여 보수되거나 혹은 상기 클린 솔더링 아이언을 이용하여 결함부 안에 새로운 수지를 융융시킴으로써 보수될 수 있다.
도1a는 하우징 벽 내에 하나 이상의 홈을 구비하는 하우징 또는 슬리브를 구비하고 상기 하우징은 중공 튜브를 둘러싸는 구성으로 된 교환 장치를 도시하고 있다. 교환 장치는 하우징이나 슬리브(124)에 접합되거나, 나사 체결되거나, 용접되거나 혹은 다른 적절한 수단에 의해 연결될 수 있는 단부캡(136)의 부분인 유체 인입 배관재(102)를 구비할 수 있다. 하우징(124)은 하우징이나 슬리브 내에 하나 이상의 채널이나 홈 (일례로, 도면 부호 104 및 116)(다른 홈들은 간결성을 위해 도시 생략함)을 구비한다. 포팅으로부터 나온 열가소성 수지(예, 도면 부호 106 및 114), 중공 튜브, 또는 이들의 조합은 하나 이상의 튜브(130)를 하우징의 홈(104, 116)에 접합시킨다. 도면 부호 108 및 126으로 나타낸 바와 같이, 수지(106, 114)는 중공 튜브(130)과 접합되어서 하우징 홈(104, 116)과의 유체 밀봉부를 형성한다. 각 중공 튜브는 하우징 또는 슬리브(124)에 결합된 입구(110)와 출구(122)를 포함한다. 하우징은 하우징(124)과의 접합, 나사 체결, 성형, 혹은 이들의 조합으로 결합된 유체 배관재(112, 134)를 선택적으로 포함하는데, 그에 제한되는 것은 아니다. 교환 장치는 하우징 또는 슬리브(124)에 접합, 나사 체결, 용접, 또는 기타 적절한 방법으로 연결되는 단부캡(120)의 부분인 유체 출구 배관재(118)를 구비할 수 있다. 중공 튜브(130)는 열가소성 수지로 포팅되어서 단일 단부 구조체를 형성하고, 튜브 단부는, 하우징 단부(132)를 구비하기도 하는 중공 튜브의 루멘을 개방하기 위해, 절단된다. 선택적으로 포팅 수지 및 중공 튜브는 튜브를 제공하고 개방하기 위해 기계 가공되어서 하우징의 단부 또는 슬리브 단부로부터 재료를 도면 부호 132의 위치에서 위치(128)까지 그리고 도면 부호 121의 위치에서 위치(117)까지 제거한다. 이와 같은 제거는 단일 구조체 내에 튜브를 개방하여서 단부캡을 하우징 또는 슬리브(124)에 가열 접합시키는 것을 용이하게 한다. 중공 튜브(130)는 다공성 중공 섬유, 피복된 중공 섬유, 무공성 중공 튜브, 동시 압출 중공 튜브 또는 이들의 임의의 조합일 수 있는데, 그에 제한되는 것은 아니며, 바람직하기로는 튜브는 열가소성이거나 혹은 열가소성 물질을 포함한다.
도1b에는 중공 도관(166)의 단부 부분을 둘러싸는 하우징을 구비하는 침지형 교환 장치가 도시되어 있다. 이 교환 장치는 하우징 또는 슬리브(148)의 벽에 하나 이상의 채널 또는 홈(142)을 구비하는 하우징 또는 슬리브(148)에 장착된 단부캡(168)을 구비한다. 단부캡은 그 단부캡에 성형되거나, 융접되거나, 나사 체결되거나, 기타 다른 방식으로 장착되어 유체 입구를 제공하는 유체 인입 배관재(140)를 구비한다. 바람직하기로는, 하우징(148)은 하나 이상의 중공 도관(166)에 접합되거나 하나 이상의 채널(142) 내의 열가소성 수지(164)에 접합될 수 있는 열가소성 물질이거나 혹은 그러한 열가소성 물질을 포함한다. 중공 도관(166)과 열가소성 수지는 유체 밀봉 접합부 또는 밀봉부(146)를 형성한다. 각 중공 도관은 하우징 또는 슬리브(148, 158)에 접합되는 입구(138) 및 출구(139)를 포함한다. 교환 장치는 하우징 또는 슬리브 내의 하나 이상의 채널 또는 홈(150)을 구비하는 하우징 또는 슬리브(158)에 장착된 단부캡(156)을 구비할 수 있다. 단부캡(156)은 유체 출구를 제공하기 위하여 단부캡(156)에 성형되거나, 융접되거나, 나사 체결되거나, 혹은 기타 다른 방식으로 장착되는 유체 출구 배관재(154)를 포함한다. 바람직하기로는, 하우징(158)은 하나 이상의 중공 튜브(166)에 접합되고 하나 이상의 채널(150) 내의 열가소성 수지(152)에 접합되는 열가소성 물질이거나 혹은 그러한 열가소성 물질을 포함한다. 하나 이상의 중공 도관(166)과 열가소성 수지(152)는 유체 밀봉 접합부 또는 밀봉부(162)를 형성한다. 중공 도관(166)은, 수지로 포팅되어서 유체 밀봉부를 형성할 수 있는, 다공성 중공 섬유, 중공 튜브, 동시 압출 중공 튜브 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 바람직하기로는 중공 튜브는 열가소성이거나 혹은 열가소성 물질을 포함한다. 도1b에는, 중공 튜브(166)가 내부 층(144)(실선으로 도시)과 외부 층(160)(점선으로 도시, 도7c 및 도12의 (A) 내지 (D) 역시 참조됨)을 구비한 것으로 도시되어 있다. 일례로 내부 층(144)은 PFA와 같은 열가소성 물질을 나타내고, 외부 열가소성 층(160)은 MFA 포팅 수지와 융접될 수 있는 MFA, 또는 내부 중공 튜브 층(144)에 가열 접합되는 FEP와 같은 열가소성 물질일 수 있다. 동시 압출 튜브의 외부 층은 수지(도시되지 않음) 내에 포팅된 중공 튜브의 그 부분들을 단지 코팅만 하거나, 혹은 중공 튜브의 외측을 도시된 바와 같이 코팅할 수 있다. 중공 튜브(166)는 하나 이상의 동시 압출 열가소성 튜브일 수 있고, 바람직하기로는 과플루오르화 열가소성 물질일 수 있으나, 다공성 또는 피복 열가소성 중공 섬유, 열가소성 코팅 금속, 또는 세라믹 튜브상 물질일 수도 있는데, 이들에 제한되지는 않는다.
도1c는 중공 튜브 또는 중공 섬유일 수 있는 중공 도관의 일부를 둘러싸는 슬리브 또는 하우징(186)을 구비하는 교환 장치를 예시하고 있다. 유체는 도면 부호 170에서 장치 안으로 인입되고 도면 부호 184에서 장치로부터 나온다. 유체 인입 배관재 또는 도관은 하우징(186)에 연결되거나(도1a 참조), 교환 장치가 인입 단부(173) 및 출구 단부(181)에서 유체 처리 매니폴드에 용접될 수 있다. 하우징(186)은 열가소성 수지(172 또는 180)에 접합되는 하나 이상의 채널 또는 홈(174, 182)을 포함한다. 하우징에는 이 하우징(186)에 접합되거나, 성형되거나, 나사 체결되거나, 기타 다른 방식으로 연결되는 하나 이상의 유체 인입(178) 및 유체 출구(196) 접속부가 구비될 수 있다. 하우징(186) 내의 채널(174, 182)에 접합되는 열가소성 수지(172, 180)는 또한 다공성 중공 섬유, 무공성 중공 튜브, 동시 압출 튜브, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하되 이에 제한되지 않는 하나 이상의 중공 튜브(192)에도 접합된다. 각 중공 튜브는 하우징 또는 슬리브(186)에 접합된 입구(190) 및 출구(194)를 포함한다. 중공 튜브는 일례로 도면 부호 176 및 188에서 수지에 접합된 것으로 도시되어 있다. 예시만을 위해 도시한 바와 같이, 튜브 단부 및 포팅 수지는 하우징의 단부 내측 쪽으로 다시 절단된다. 수지(172) 및 중공 도관(192)은 도면 부호 175까지 기계 가공되어 제거될 수 있고, 수지(180) 및 중공 도관(192)은 도면 부호 183까지 기계 가공되어 도관 단부를 개방할 수 있다. 오목한 단부는 순차적으로 하우징 단부(173 및 181)에 단부캡을 접합하거나 또는 용접하는데 도움이 될 수 있다.
도2a는 중공 도관과의 접합에 사용되는 하우징, 단부캡, 또는 슬리브의 일부분 안의 채널 또는 홈의 비제한적인 예를 단면도로 예시하고 있다. 위와 같은 홈은 직사각형 홈(도면의 B 부분), 사다리꼴형 홈(도면의 A 부분), 및 이들 또는 다른 형상의 조합을 포함하는데, 이에 제한되는 것은 아니다. 홈의 폭, 깊이, 홈 간의 간격, 및 하우징의 단부로부터의 홈의 간격은 그에 제한이 없이 변동될 수 있다. 도2a는 튜브의 내부에 사다리꼴형 홈(204)을 구비하는 원통형 슬리브의 일부분의 단면을 도시하는 것이다. 이들 홈은 내부 하우징 표면(210)으로부터 깊이(208)까지 그리고 하우징 또는 슬리브의 외면(216)으로부터 거리(212)까지 하우징(202)의 벽 안으로 밀링되어 형성된다. 도2b는 홈(242)과 같은 직사각형 홈 또는 채널을 예시하는 것이다. 하우징 내의 이들 홈은 하우징 또는 슬리브 단부(230)로부터 거리(224)를 가지고 형성되어 있다. 하우징 단부(230)는 단부캡에 접합되거나 유체 도관에 용접될 수 있다. 홈은 도면 부호 232와 도면 부호 236 사이의 거리만큼 개구되어 있을 것을 특징으로 한다. 홈은 등간격으로, 일례로 도면 부호 244와 246, 또는 도면 부호 246과 250의 간격으로 이격되거나, 혹은 도면 부호 242와 244 사이의 보다 큰 거리만큼 부등간격으로 이격될 수 있다. 홈은 하우징의 내면(238)으로부터 깊이(220)를 갖는다(홈은 외면(240) 상에 있을 수 있는데, 도시하지 않았음).
도3은 여러 가지 다른 형태의 튜브가 접합 또는 포팅되는 하우징, 단부캡, 또는 슬리브 내에 하나 이상의 모양을 갖는 채널 또는 홈(304)을 구비하는 교환 장치 하우징, 슬리브, 또는 단부캡의 단부 부분을 단면도로 도시하는 것이다. 개방된 사다리꼴 형상으로 예시된 홈 또는 채널(304)은 하우징 또는 슬리브 벽(314) 내에 형성될 수 있는 임의의 형상으로 형성할 수 있다. 슬리브 벽은 내면(316) 및 외면(308)을 구비한다. 내면(316)은 열가소성 수지 및 하나 이상의 중공 도관과 융접될 수 있는 열가소성 층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 채널(304)의 표면은 하우징(314) 내에서 하나 이상의 중공 튜브(318, 320)와 함께 열가소성 수지(310)에 접합된다. 하우징, 슬리브, 또는 단부캡의 두께, 즉 도면 부호 308과 316 사이의 거리는, 교환 장치의 의도된 사용 시의 압력 및 온도 안전 등급에 부합되게 선택된다. 도3에서, 도면 부호 318은 중공 도관을 나타내고 있는데, 이들 중공 도관은, 유체 밀봉부를 형성하기 위하여 수지(310)에 포팅되는 중공 튜브, 다공성 또는 피복 중공 섬유, 또는 동시 압출 중공 튜브, 또는 이들의 임의의 조합으로 구성될 수 있다. 도3에서, 도면 부호 320은 열가소성 수지(310)에 의해 하우징(314)에 접합되는 동시 압출 중공 튜브를 나타내는 것이고, 도면 부호 330은 인접하는 튜브를 서로 접합시키는 수지를 나타내는 것이다. 중공 튜브(320)는 표면(322)이 있는 내부 부분 또는 층과 외부 부분 또는 열가소성 층(326)을 구비한다. 외부 층과 내부 층 모두가 열가소성 물질일 수 있고, 바람직하기로는 외부 층(326)은 열가소성 수지와 융접될 수 있는 열가소성 물질이 좋고, 보다 바람직하기로는 내부 층(322)보다 융점 온도가 더 낮은 것이 좋다. 동시 압출 중공 도관의 하나 이상의 층용의 열가소성 물질은 바람직하기로는 과플루오르화 열가소성 물질이다.
교환 장치는 공정 유체를 재순환 루프 또는 분배 툴에서 받아서 그로 다시 되돌려 보내기 위하여 하우징에 연결된 공정 유체 입구 및 출구를 구비할 수 있다. 교환 장치는 교환 유체의 유동을 위한 교환 유체 또는 작동 유체 입구 및 출구 배관재를 구비할 수 있고, 상기 교환 유체는 하우징 튜브의 벽에 있는 재료에 의해서 그리고 하우징을 튜브에 접합시키는 포팅에 의해서 처리 유체나 공정 유체로부터 분리된다. 교환 유체는 중공 튜브 벽을 통해서 공정 유체와 질량 및/또는 에너지 교환하거나 주고 받는다. 본 발명의 교환 장치는 교환 장치 상의 공정 유체 입구와 유체 연통하는 재순환 펌프를 선택적으로 포함하며 공정 유체로 처리할 물체를 유지하는 탱크를 선택적으로 포함하는 설비에 사용될 수 있다. 교한 장치는 분배 시스템 또는 재순환 유체 유동 회로의 일부로서 사용될 수 있다. 상기와 같은 설비는 입자 필터도 추가로 포함한다. 상기 설비는 가스, 유체 함유 유기물, 또는 초고순도 물을 포함하는 수성 유체와 질량 및/또는 에너지를 교환할 수 있다. 바람직하기로는, 공정 유체로 처리할 기판 또는 물체는 동 및 알루미늄과 같은 금속, 비소 또는 실리콘을 포함한 반도체, 또는 알루미늄, 바륨, 및 스트론튬을 포함하는 세라믹을 포함하는데, 이에 제한되지 않는다.
도4는 기판을 세정 또는 코팅하는 데 사용되는 유체를 조절하기 위한, 본 발명에 따른 교환 장치를 포함하는 설비를 예시하고 있다. 이 설비는 유체 도관, 펌프, 밸브, 센서, 및 입자 필터를 포함한다. 일례로, 교환 유체(450)는 펌프(446)에 의해 본 발명의 교환 장치(416)를 거치고, 선택적인 조절 밸브(412) 및 선택적인 입자 필터(408)을 거쳐서, 도관(404)에 의해 유지 탱크(448)로 복귀한다. 일례로 황산 및 과산화수소 용액과 같이 기판(434)을 세정하고 코팅하기 위한 공정 유체(428)는 유체 펌프(438)에 의해 펌핑되어서 조절 밸브(442)를 거쳐서 교환 장치(416) 안으로 들어가고, 그 교환 장치에서는 유체(450)와 공정 유체(428) 간의 에너지 교환이 교환 장치의 중공 튜브의 벽을 통해서 이루어진다. 조절된 유체는 선택적인 조절 밸브(420) 및 선택적 입자 필터(424)를 거쳐서 교환 장치(416)를 빠져나가서 공정 탱크 또는 위어(444) 안으로 들어간다. 공정 탱크(444)는 탱크(444)로부터 사용된 공정 유체를 제거하기 위한 배수 밸브(432)를 포함할 수 있다.
기판을 처리하기 위한 설비 또는 시스템은 도5에 도시된 바와 같은 하나 이상의 교환 장치를 사용한다. 이 교환 장치(516, 544)는 침지형(도시되지 않음), 동방향류, 또는 대향류용으로 구성될 수 있다. 공정 처리조 또는 세정조 유체(526)는 본 발명의 교환 장치(516)에 의해서, 즉 교환 장치(516) 내의 중공 튜브를 통해서 탱크(556) 내에 저장되어 있는 것으로 도시되어 있는 교환 유체(560)와 접촉함으로써 처리된다. 교환 유체(560)의 온도는 폐루프 냉각기, 저항성 침지 가열기, 가정용/설비용 고온 또는 냉각수 공급원을 사용하여 조절될 수 있다. 선택적으로, 유체는 공정 유체와의 질량 전달을 위하여 생성되어 교환 장치 안으로 공급되는 화학제로 구성할 수도 있다. 온도 및/또는 화학적으로 조절된 유체는 탱크 안에 저장되거나 혹은 교환 장치로 바로 공급될 수 있다. 도5에서, 도면 부호 504는 선택적 입자 필터(508)와 선택적 조절 밸브(512)를 통하여 교환 유체를 교환 장치(516)로 보내는 데 사용될 수 있는 교환 유체 펌프를 나타내는 것이다. 교환 유체는 교환 장치(516)를 관통하여 유동해서 밸브(564) 및 도관(554)을 거쳐서 탱크(556)로 복귀된다. 선택적으로, 교환 유체는 설비 공급원으로부터 교환 장치(516)로 공급되고 도관(554)을 거쳐서 배수구(미도시)로 바로 배출시킬 수 있다. 탱크(550)로부터 나온 공정 유체(526)는 펌프(548)에 의해서 조절 밸브(552)를 거쳐서 교환 장치(516)를 관통하여 보내지고, 상기 교환 장치에서는 교환 유체(560)와의 에너지, 질량, 또는 이들의 결합의 교환이 이루어진다. 조절된 공정 유체는 선택적 밸브(518) 및 선택적 입자 필터(522)를 통해서 교환 장치로부터 제거되어 기판(524)을 처리하기 위한 공정 탱크(550)로 되돌아간다. 폐기 공정 유체(526)는 교환 장치(544)를 통해서 에너지 및/또는 유해 화학제를 제거하기 위해 밸브(540)를 통해서 배출되어서 밸브(532)를 통해 폐처리 또는 폐기 드럼으로 보내진다. 폐기 공정 유체는 밸브(528, 536)를 통해서 교환 장치(544) 안으로 제공된 제2 작동 유체와의 질량, 에너지, 또는 이들의 조합의 교환이 이루어짐으로써 처리될 수 있다.
본 발명의 교환 장치는 화학 공정에서 사용되거나 폐수로부터 제거되는 가스의 정화 방법 및 장치에 사용될 수도 있다. 특히, 본 발명은, 홈을 구비하는 하우징 안으로 포팅된 다공성 중공 섬유 멤브레인의 일 측면 상에 수용된 반응성 액체, 겔, 또는 슬러리와 폐유체 성분의 반응에 의해 폐유체가 정화되는 발열성 세정 반응 중에도 포팅 수지와 하우징 밀봉부의 무결성을 유지하는 장치로서, 포팅과 중공 도관이 포팅된 중공 도관을 통한 유체 유동을 위하여 절단 개방될 수 있는 하우징을 구비한 단일 단부 구조체를 형성하는 구성으로 된 장치를 제공한다.
본 발명의 교환 장치는 이동하는 기판을 세정하거나 코팅하기 위하여 사용될 수 있다. 일례로, 도6은 회전하는 기판을 공급원(632)으로부터 나와서 교환 장치(618)에 의한 질량, 에너지, 또는 이들의 조합의 교환에 의해 처리 또는 조절된 유체를 가지고 코팅 또는 세정하는 것을 예시하고 있다. 탱크(646)(또는 도시되지 않은 가정용/설비용 공급원)로부터 나온 교환 또는 작동 유체(650)는 펌프(642)를 사용하여 교환 장치(618)를 관통하여 유동하게 할 수 있다. 교환 유체(650)는 교환 장치(618) 내의 중공 튜브를 통해서 공정 유체(632)와 상호 작용하고, 밸브(614), 선택적 입자 필터(610) 및 도관(604)을 거쳐서 탱크로 되돌아간다. 유체(650)의 온도 조절 또는 화학적 개질은 가열기, 냉각기, 화학제(수소 또는 오존) 발생기 및 제어기를 포함하는 추가 장치(미도시)에 의해 수행될 수 있다. 공급원(632)로부터 나온 유체는 압력 공급원(628) 또는 펌프(638)를 사용하여 교환 장치(618)로 공급할 수 있다. 유체는 교환 장치의 상류측 또는 하류측에 설치된 선택적 입자 필터(622)에 의해 처리될 수 있다. 밸브(622, 640)는 조절 가능한 밸브로 구성하여서 유동을 제어하고 교환 장치를 차단하는 데 사용할 수 있다. 공정 유체(632)는 교환 장치로 들어가서 중공 튜브 벽을 통하여서 작동 유체(650)과 질량, 에너지, 또는 이들의 조합을 교환한다. 조절된 공정 유체는 분배 펌프, 분배 도관, 또는 노즐(630)로 구성할 수 있는 펌프(632)를 사용하여 회전 또는 병진 이동하는 기판에 분배시킬 수 있다.
하우징의 내벽 또는 외벽에 하나 이상의 채널을 구비하는 하우징, 슬리브, 또는 단부캡의 부분의 일 실시예가 도7a에 도시되어 있다. 도7a에서, 홈 또는 채널(720)과 상호 연결된 통기 슬롯(716)을 구비하는 하우징 쉘 또는 슬리브는 슬리브(726)의 내면 상에 도시되어 있다. 도7b는 홈(720)들을 상호 연결하는 통기 슬롯을 단면도로 도시하고 있는 것이다. 상기 통기 슬롯은 공기와 같은 기체가 포팅 중에 수지로부터 빠져나가게 할 수 있는 것이다. 하우징은 하나 이상의 중공 튜브의 일부를 둘러싸는 튜브 또는 슬리브일 수 있으며, 내벽에 분말상 열가소성 물질의 코팅을 융접하거나, 열가소성 물질을 동시 압출하거나 성형함으로써 전처리될 수 있는데, 여기서 열가소성 물질은 도9에 도면 부호 936으로 나타낸 슬리브 상의 MFA일 수 있지만 그에 제한되는 것은 아니다. 하우징은 원통형 튜브나, 육각형, 직사각형 또는 삼각형 도관을 포함하는 임의 개수의 변을 갖는 도관일 수가 있는데, 이에 제한되지는 않는다. 하우징 또는 슬리브는 열가소성 물질로 구성되거나 열가소성 물질로 코팅된 세라믹 또는 금속 튜브로 구성될 수 있다. 열가소성 물질에는 플루오르폴리머가 해당될 수 있다. 양호한 실시예에서, 하우징 또는 슬리브는 중공 튜브에 접합될 수 있는 내벽 또는 외벽에 하나 이상의 채널을 포함한다.
도7c는 도7a 및 도7b에 도시된 슬리브(726)의 단부 부분을 단면도로 나타내고 있는 것이다. 도7c는 하나 이상의 중공 도관을 나타내고 있는 것으로, 특히, 하우징 벽에 하나 이상의 홈(738, 740, 742, 744)을 구비하는 열가소성 소재로 이루어지거나 혹은 열가소성 물질로 코팅된 하우징 또는 슬리브(726) 내에 열가소성 수지(722)로 포팅된 동시 압출 중공 튜브(708)를 나타내고 있다. 동시 압출 중공 튜브는 내부 층(704) 및 하나 이상의 외부 층(706)(추가의 층은 간결성을 위해 도시 생략함)을 구비한다. 포팅 중에, 동시 압출 튜브의 외부 층(706)은 수지와 융접되거나, 혼합되거나, 결합되어서 중공 튜브를 수지(722)와 하우징(726)에 접합시킨다. 도7c에서, 도면 부호 710은, 동시 압출 튜브의 외부 층과, 중공 튜브(708)와 하우징(726)에 접합된 녹은 수지로부터 녹지 않은 외부 튜브 층(706)을 분리시키는 임의로 한정된 계면을 형성하는 포팅 수지를 나타내는 것이다. 내부 홈(738)용의 하나 이상의 통기 홈 또는 슬롯(712)과 통기 슬롯(716)은 포팅 중에 홈(740, 742, 744)으로부터 가스를 배출하기 위하여 하우징 내에 형성될 수 있다. 이러한 통기 슬롯(716)의 표면에는 열가소성 수지(722)가 접합될 수 있다. 포팅 중에 하우징 내의 홈(738, 740, 742, 744) 중 하나 이상의 홈에는 포팅 수지가 접합된다. 홈이 수지로 채워지는 개수와 범위는 포트 내의 열가소성 수지의 양과 하우징의 포트 내에서의 배치에 따라서 달라질 수 있다. 교환 장치의 의도된 용도를 위한 강도와 무결성을 제공하기 위해서, 그리고 중공 튜브(708)를 수지(722) 및 하우징(726)에 접합시키기 위하여, 충분한 수의 홈에 수지가 접합된다. 이는 도8의 시험 장치 및 에상 되는 적용 용도의 조건을 사용하여 결정될 수 있다. 도1a 내지 도1c에 도시된 바와 같이, 각 중공 튜브(708)는 도면 부호 734에 연결된 것으로 도시되어 있는 입구와 유체 유동을 위한 출구(724)를 구비한다. 외부 층(706)이 여전히 존재하고 있는 동시 압출 튜브의 내부 층 부분은 도면 부호 728로 나타내고 있다. 외부 층이 수지(722)에 융접되어 있는 동시 압출 튜브의 내부 층 부분은 도면 부호 736으로 나타내고 있다. 중공 튜브의 포팅은, 유체 유동용의 포팅 수지(722) 위의 중공 튜브들 사이에, 동시 압출 튜브(708)의 외부 층과 접촉하는 영역(732)을 형성한다. 바람직하기로는 홈들은 그들의 높이가 슬리브 또는 하우징(744)의 출구에 가장 인접한 홈으로부터 슬리브 또는 하우징(738)의 내부에 가장 인접한 홈까지 감소할 수 있도록 배치된다. 인접하는 홈들 사이의 벽은 임의의 형상으로 할 수 있다. 예시의 목적으로만 도7c에 도시하고 있는 바와 같이, 홈들은 3개의 사다리꼴 벽에 의해 분리되는데, 홈들 사이의 상기 벽의 높이는 도면 부호 742로부터 도면부호 738까지 감소한다. 포팅 공정 중에 형성된 단일 단부 구조체에는 하우징 또는 슬리브(726)의 단부(727)로부터 홈이 패여져서 홈이 형성된 표면(725)을 형성한다. 하우징 또는 슬리브의 단부 표면(727)은 단부캡, 유체 배관재에 접합되거나, 유체 도관에 용접될 수 있다.
도7d는 인접하는 중공 튜브(758) 상의 열가소성 수지 층(756)의 일부로부터 녹은 수지(786)에 의해서 하나 이상의 동시 압출 튜브(758)들이 서로 접합되어 있는 교환 장치의 단부 부분을 단면도로 도시하고 있는 것이다. 융접된 중공 튜브는, 하우징을 열가소성 중공 튜브 상의 수지 층(756)과 융접시키는 것에 의해서나 혹은 하나 이상의 중공 튜브를 하우징(77)과 하나 이상의 홈(788, 790, 792, 794)에 접합되는 열가소성 물질(776)을 형성하기 위한 수지의 첨가에 의해서, 하나 이상의 홈(788, 790, 792, 794)을 갖는 열가소성 소재로 이루어지거나 혹은 열가소성 물질로 코팅된 하우징 또는 슬리브(770)(도면 부호 726과 유사함)에 접합될 수 있다. 동시 압출 중공 튜브는 내부 층(754)과 하나 이상의 외부 층(756)(추가의 층은 간결성을 위해 도시 생략함)을 구비한다. 접합 중에, 동시 압출 튜브의 외부 층(756)은 인접하는 튜브로부터 나온 외부 층 수지와 융접되거나, 혼합되거나, 결합되어서 중공 튜브를 함께 접합시키고(도면 부호 786) 선택적으로는 하우징(726)에 접합시키며, 추가의 열가소성 수지는 하나 이상의 중공 튜브를 하우징(776)에 접합시키는 데 사용될 수 있다. 도7d에서, 도면 부호 760은, 동시 압출 튜브의 무결한 외부 층(756)과, 동시 압출 튜브 부분 중에서 외부 층이 수지(786 또는 776)와 혼합되어 있는 부분을 분리시키는 임의로 한정된 계면을 접합된 동시 압출 튜브의 외부 층이 형성하고 있는 영역을 나타내는 것이다. 하나 이상의 홈 또는 통기 슬롯(766)은 접합 도는 포팅 중에 하나 이상의 동심으로 형성된 홈(788, 790, 792, 794)으로부터 가스를 배출하기 위하여 하우징의 축선을 따라서 벽에 형성될 수 있다. 이러한 홈 또는 통기 슬롯(766)은 홈(788, 790, 792, 794)와는 달리 각각이 같거나 혹은 각기 다른 깊이, 크기, 또는 형상을 가질 수 있다. 포팅 중에 채널들은 열가소성 수지에 접합될 수 있다. 접합 또는 포팅 중에 하우징 내의 하나 이상의 홈(788, 790, 792, 794)에는 도시된 바와 같이 포팅 수지로 채워진다. 홈이 수지로 채워지는 개수와 범위는 포트 내의 열가소성 수지의 양과 하우징의 포트 내에서의 배치에 따라서 달라질 수 있다. 교환 장치의 의도된 용도를 위한 강도와 무결성을 제공하기 위해서, 그리고 중공 튜브(758)를 하우징(770)에 접합시키기 위하여, 충분한 수의 홈(788, 790, 792, 794)에 수지가 접합된다. 도시된 바와 같이 각 중공 튜브(758)는 도면 부호 798에 연결된 것으로 나타낸 입구와 유체 유동용의 출구(796)를 구비한다. 외부 층(756)이 여전히 존재하고 있는 동시 압출 튜브의 부분은 도면 부호 778로 나타내고 있고, 외부 층이 인접 중공 도관이나 열가소성 수지에 접합되어 있는 동시 압출 튜브의 부분은 도면 부호 784로 나타내고 있다. 중공 튜브의 녹지 않은 영역은, 유체 유동용의 중공 튜브들 사이에, 동시 압출 튜브의 외부 층과 접촉하는 영역(782)를 형성한다. 바람직하기로는 홈(788, 790, 792, 794)들은 그들의 높이가 슬리브 또는 하우징(794)의 출구에 가장 인접한 홈으로부터 슬리브 또는 하우징(788)의 내부에 가장 인접한 홈까지 감소할 수 있도록 배치된다. 인접하는 홈들 사이의 벽은 임의의 형상으로 할 수 있다. 예시의 목적으로만 도7d에 도시하고 있는 바와 같이, 홈의 벽은 사다리꼴 형상으로 구성된다.
교환 장치의 무결성 또는 성능을 측정하는 시험 장치는 교환 장치, 센서, 하나 이상의 시험 유체, 및 펌프, 도관, 및 밸브와 같은 유체 처리 장치를 포함한다. 도8은 하나 이상의 홈을 구비하는 하우징 또는 슬리브에 접합된 하나 이상의 중공 튜브를 구비하는 교환 장치(804)를 포함하는 시험 매니폴드의 비제한적인 실시예를 도시하고 있다. 시험 중인 중공 튜브 교환 장치(804), 또는 매니폴드의 임의의 부분은 단열되거나 혹은 온도 조절 포위부(도시되지 않음) 내에 배치될 수 있다. 매니폴드는 압력 게이지, 온도 탐침, 농도 탐지 장치, 질량 분석기, 유량계, 또는 이 들의 조합을 포함하되 이에 제한되지 않는 선택적 센서(808)에 유체 연통되게 연결된 쉘 유체 출구(806)를 포함할 수 있다. 상기 유체 출구와 센서는 밸브에 유체 연통되게 연결되고, 바람직하기로는 교환 장치 출구(816)에 유체 연통되게 연결된 조절 밸브(812)에 유체 연통되게 연결된다. 교환 장치 출구(816)는 교환 장치를 구성하는 튜브의 중공 루멘과 유체 연통된다. 출구(816)로부터 나온 유체는 공급원(834)으로부터 나온 유체와 교환 장치의 중공 튜브를 통하여 질량, 에너지, 또는 이들의 조합을 교환한다. 도면 부호 854로부터 센서(850)에 의해 측정되는 입구(842)로부터 나온 유체의 상태 변화와 센서(808)에 의해 측정되는 출구(816)에서의 유체의 상태(질량, 에너지, 화학 조성)의 변화는 교환 장치(804)의 성능과 무결성을 특징짓는 데 사용될 수 있다. 선택적으로, 교환 장치의 무결성은 일례로 압력, 온도, 또는 화학 조성과 같은 여러 가지의 시험 조건 하에서 소정의 시간이 지난 후에 유체(834)용의 중공 튜브를 도면 부호 842 또는 816 부분에서 시험함으로써 결정될 수 있다. 무공성 중공 튜브에 있어서, 튜브 벽을 통한 물질의 확산 또는 침투로 인하여 예상되는 값 이상의 유체(834)의 유량은 교환 장치(804)의 무결성에 있어서의 손실을 나타내는 것이다. 조절 밸브(820)는 중공 튜브의 외측이나 쉘 측과 유체 연통되게 배치될 수 있다. 밸브(820)는 압력 게이지, 온도 탐침, 농도 탐지 장치, 질량 분석기, 분광계, 유량계, 입자 계수기, 또는 이들의 조합을 포함하되 이에 제한되지 않는 센서(822)에 유체 연통되게 연결된다. 유체 조절 장치(826)은 교환 장치에 유체 연통되게 연결된다. 유체 조절 장치는 냉각기, 가열기, 온도 탐지 및 조절 장치(도시되지 않음)를 갖춘 가스 발생기, 또는 유체(834)를 조절하 기 위한 기타 다른 장치로 구성할 수 있다. 액체용으로는, 화학적으로 호환성을 갖는 펌프(828) 및/또는 유량계가 유체를 교환 장치의 중공 튜브의 쉘 측으로 알려진 유량으로 공급하는 데 사용될 수 있다. 선택적으로 교환 장치는 시험 중에는 유동이 없으며 장치의 온도 또한 변동되지 않는 유체 가압원에 연결될 수 있다. 선택적 센서(832)는 시험 유체 공급원(834)에 유체 연통되게 연결되고, 상기 유체 공급원(834)은 오버플로우 탱크(overflow tank)이다. 교환 장치(804)의 쉘 측의 출구는 교환 장치의 쉘 측을 통하여 유동하는 유체를 제어하기 위하여 조절 밸브(838)를 구비한다. 교환 장치(804)의 중공 튜브 루멘 쪽으로의 입구(842)는 조절 가능한 인입 밸브(846)에 연결될 수 있다. 인입 밸브(846)는 공급원(도시되지 않음)으로부터 나온 입구(854)를 통하여 교환 장치(804) 쪽으로 이어지는 시험 유체 입구의 상태를 측정하는 센서(850)에 연결될 수 있다. 센서(850)는 센서(808)에 의해 측정되는 출구 상태에 의해 측정된유체의 인입 상태를 비교하는 데 사용될 수 있으며, 또한 교환 장치 내의 중공 튜브의 포장 밀도와 유량을 가지고 교한 장치의 효율 또는 교환 능력을 결정하는 데 사용될 수도 있다.
도9에는 홈 및 통기 슬롯을 구비하는 하우징 또는 슬리브의 벽이 도7b보다 더 상세하게 도시되어 있다. 서로 평행할 수 있는 하나 이상의 홈(904)이, 벽에서 홈(914)의 내면(920)과 바닥 사이로 결정된 바와 같은 깊이(916)를 갖는 슬리브의 내벽 상에 형성된 것으로 도시되어 있다. 홈들 사이에 있는 도면 부호 912로 나타낸 홈 또는 통기 슬롯으로서, 하우징의 축선을 따라 인접하는 홈들을 상호 연결하는 홈 또는 통기 슬롯은 접합면을 제공하며, 융접 또는 포팅 중에 열가소성 수지로 부터 가스가 빠져나갈 수 있게 한다. 하우징, 슬리브, 또는 단부캡의 벽(908)은 내벽(920)과 외벽(924) 사이로 한정되는 두께(928)를 갖는다. 하우징, 슬리브, 또는 단부캡의 단부(932)는 일례로 도1a에 도시한 바와 같은 기타 유체 처리 장치, 도관, 또는 용기에 용접되거나, 융접되거나, 혹은 접합된다. 내벽 표면, 홈 표면, 또는 이들 둘다는 열가소성 수지에 접합되는 흰색 점선으로 나타낸 바와 같은 열가소성 분말(936)로 전처리시킬 수 있다.
도10에는 도9와 유사하지만 내벽 부분이 테이퍼지게 형성되어 있는, 홈 및 통기 슬롯을 구비하는 하우징 또는 슬리브의 벽이 도시되어 있다. 하나 이상의 홈(1004)이 벽(1008)에서 깊이(1020)를 가지는 슬리브의 내벽 상에 형성되어 있는 것으로 도시되어 있다. 홈 또는 통기 슬롯(1012)은 홈(1004)들을 상호 연결시킨다. 상기 슬롯은 융접 중에 열가소성 수지로부터 가스가 빠져나갈 수 있게 한다. 선택적인 홈(1004)이 가장 내측의 홈(1006)으로부터 통기시키기 위하여 제공될 수 있다. 하우징, 슬리브, 단부캡의 내벽(1016)은 테이퍼지게 형성될 수 있으며, 직사각형으로 도시되어 있는 홈들 사이의 홈 벽(1028, 1032, 1036)의 높이도 역시 테이퍼지게 형성되어 있다. 인접하는 홈들 사이의 직사각형 벽의 높이는 대략 홈 바닥(1020)과 선(1040) 사이의 거리와 같다. 도시된 홈 벽의 높이를 1036 > 1032 > 1028의 크기로 제공한다. 하우징, 슬리브, 또는 단부캡(1032)의 단부는 일례로 도1a에 도시된 바와 같은 기타 유체 처리 장치, 도관, 또는 용기에 용접되거나, 융접되거나, 접합될 수 있다. 내벽 표면, 홈 표면, 또는 이들 둘다는 열가소성 분말(간결성을 위해 도시 생략함)로 전처리시킬 수 있다. 외벽 표면(1044)은 그 표면 안으 로나 혹은 벽(1008)(도시되지 않음) 안에 형성되거나 기계 가공된 하나 이상의 홈을 구비할 수 있다.
하나 이상의 홈(1112, 1116) 및 인접하는 홈들을 유체 연통되게 상호 연결시키는 홈 도는 통기 슬롯(1132)을 구비하는 하우징 안으로 하나 이상의 중공 도관(1106)을 포팅시키는 것이 도11에 예시되어 있다. 도11에서, 도면 부호 1102는, 도면 부호 1108에 의해 융융물로 나타낸 바와 같은 열가소성 수지로 중공 도관(1106)이 포팅될 수 있는 홈(1112) 및 슬롯(1132)을 구비하는 하우징, 슬리브, 단부 캡에 해당된다. 도11에서, 수지(1120) 내의 가스 기포는 홈(1116)과 홈(1112) 사이의 통기 슬롯을 통해서 올라가는 것으로 도시되어 있다. 단일 단부 밀봉부를 형성하기 위하여 중공 도관(1126)을 포팅하는 중에 프레임 감싸기에 의해 폐쇄된 중공 도관(다른 도관(1122)들도 역시 종이면 쪽으로 향하는 루프로 감싸여져 있음)은 가열된 포트(1136)에 의해 수지(1108)와 하우징과 서로에 대해서 융접된다. 중공 도관 단부는 용융물을 냉각시킨 후 포팅된 수지 및 도관 단부를 절단함으로써 개방되어 단일 단부 구조체를 형성한다.
도12의 (A)는 본 발명의 여러 실시 형태의 교환 장치에 사용될 수 있는 동시 압출 중공 튜브인 중공 튜브를 단면도로 도시하고 있다. 중공 튜브는 그 단면 형상을 원형으로 할 수 있고, 튜브의 형상을 직사각형, 다각형, 또는 타원형으로 수정할 수도 있지만, 그에 제한되는 것은 아니다. 튜브는 도면 부호 1208과 도면 부호 1212 사이를 나타내는 두께와 총 외측 치수 또는 직경(1216)을 갖는 열가소성 외부 층(1204)을 구비한다. 외부 층(1204)은 외부 층이 포팅 수지와 융접되게 하지만 내부 도관 층(1228)의 변형이나 붕괴는 저지시킬 수 있는 융점을 가질 수 있다. 층의 두께와 균일성은 튜브의 길이에 걸쳐서 변동할 수 있지만, 그러한 변동은 튜브가 서로에 대해서나 혹은 포팅 수지에 대해서 융접되게 한다. 이러한 외부 층은 중공 튜브의 교환 특성을 변경시키는 첨가제를 포함할 수 있다. 일례로, 탄소와 같은 열 전도성 재료가 외부 층(1204)에 첨가될 수 있다. 중공 튜브는 도면 부호 1224와 도면 부호 1220 사이에서 측정된 두께와 내경(1210)을 갖는 외부 층에 융접 또는 접합된 내부 층(1228)을 구비한다. 도12의 (B)는 도12의 (C)에 도시된 중공 동시 압출 과플루오르화 열가소성 튜브의 단면에 대한 부분적인 화상이다. 도12의 (B)에서, 외부 층(1232)은, PFA와 같은 높은 고온에서 용융되는 과플루오르화 열가소성 물질로 구성될 수 있는 내부 층(1234)에 가열 접합된 약간 더 흑색인 층(1232)으로 나타낸 MFA 또는 FEP와 같은 과플루오르화 열가소성 물질로 구성될 수 있다. 도12의 (C)는 외부 층의 두께와 균일성에서 나타날 수 있는 변화를 보여주고 있는 것이다. 열가소성 슬리브 또는 하우징(1240) 내에 포팅된 동시 압출 튜브(1238)를 사용하여 제조된 교환 장치의 일부의 화상이 도12D에 도시되어 있다.
도13의 (A)는 열가소성 튜브의 찌그러짐을 야기하며 및 열가소성 수지(1308)와의 완전한 융접이 이루어지게 하는 온도에서 홈이 없는 슬리브 내에 포팅되는 열가소성 중공 튜브와 벽(1304)을 구비하는 원통형 열가소성 하우징의 부분 단면 화상이다. 접합 및 포팅 중의 중공 도관의 찌그러짐은 튜브 벽 두께 또는 조성의 변화가 중공 도관의 용융 온도의 변화를 야기할 때에도 발생할 수 있다. 도13의 (C)는 상기 도13의 (A)의 전체 단면도이다. 도13의 (B)는 도13의 (D)의 부분 단면 화 상이다. 도13의 (D)는 하나 이상의 개방된 열가소성 동시 압출 중공 도관(1322)를 나타내는 것으로, 상기 중공 도관은 홈이 없는 슬리브에 포팅된 MFA 외부 층 및 PFA 내부 층을 구비한다. 도13의 (D)는 중공 도관의 외부 MFA 층이 내부 PFA 도관의 붕괴가 없는 상태로 MFA 수지(1318)와 융접되어 있는 것을 도시하고 있다. 이와 같이 포팅된 중공 도관(1322)은 절단 개방되고, 이렇게 하여 개방된 중공 튜브는 도13의 (C)에서 사용한 것과 동일한 포팅 조건 하에서 열가소성 슬리브 또는 하우징(1314)에 접합될 수 있게 된다. 중공 도관의 내부 층의 높은 용융 온도는 중공 도관의 형상을 유지하는 데 이용될 수 있고 또한 공정 조건, 재료 공차, 및 재료 조성에 있어서의 변동에 기인한 붕괴를 방지하는 데 이용될 수 있다.
도14는 하우징 벽에 하나 이상의 홈(1404, 1412)을 구비하는 열가소성 수지(1440)에 접합된 하나 이상의 중공 도관(1422)을 둘러싸는 하우징(1416)을 구비하는 교환 장치의 예시 도면이다. 하우징은 쉘 측 유체 입구(1408)와, 하우징에 형성되거나 접합되거나 나사 체결되거나 혹은 기타 다른 방식으로 유체 연통되게 연결된 유체 출구(1426)를 구비한다. 하나 이상의 중공 도관은 도면 부호 1406 및 1410으로 나타낸 단부에서 전기 회로에 연결될 수 있는 저항 선 또는 필라멘트(1402)를 포함할 수 있다. 상기 전기 회로는 전원 및 제어기(도시되지 않음)를 포함한다. 중공 도관(1422) 내의 전기 선(1402)은 전원 및 제어기에 의해 저항 방식으로 가열되고 이에 의해 열 에너지가 도면 부호 1408에서 장치 안으로 들어가는 유체(1432)와 교환된다. 유체(1432)는 저항 선(1402)으로 둘러싸인 중공 도관에 의해 가열되어서, 가열된 유체(1436)가 유체 출구(1426)를 빠져나가면서 교환 장치로부터 제거된다.
교환 장치는 열가소성 하우징 또는 슬리브에 접합된 다공성 중공 섬유, 피복 중공 섬유, 열가소성 튜브, 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있는 하나 이상의 포팅된 중공 도관을 포함할 수 있는데, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 교환 장치는 중공 튜브, 직사각형 도관, 삼각형 도관을 포함하지만 이에 제한되지 않는 여러 형상의 내면 및 외면을 갖는 여러 가지의 중공 도관으로 구성될 수 있다. 중공 도관은 일반적으로는 외면을 구비하고, 도관의 내측을 따라서 하나 이상의 채널을 구비할 수 있다. 중공 도관 벽의 공극률은 무공의 것에서부터 여과, 액체-액체 접촉, 액체-가스 접촉에 적합한 공극률을 갖는 것에까지 걸쳐 여러 가지로 할 수 있다. 중공 튜브 및 중공 섬유용의 루멘 또는 보어라고 하는 포팅된 중공 도관의 중공부를 관통하여 유동하는 액체 상은 중공 도관의 외면을 둘러싸는 유체와 질량 또는 에너지 교환을 할 수 있다. 다공성 멤브레인인 중공 도관은 외부 형상 또는 치수, 내부 형상 또는 치수, 및 이들 사이의 다공성 벽 두께를 가지고 설명할 수 있다. 중공 무공성 도관은 외부 형상 또는 치수, 내부 형상 또는 치수, 및 이들 사이의 무공성 벽 두께를 가지고 설명할 수 있다. 다공성 또는 무공성 벽을 구비하는 중공 튜브상 필라멘트에 있어서, 내경은 튜브의 중공 부분 또는 루멘을 한정하는데, 이는 유체 또는 교환 매체 중 한 가지를 운반하는 데 사용될 수 있다.
중공 멤브레인 또는 중공 도관은 편조 또는 꼬인 형태로 구성할 수 있고 선택적으로는 제1 단계에서 열처리 어닐링을 하고 이어서 냉각 후에 각 튜브들을 서로 분리시켜서 자체 지지 나선형 또는 비원형 단일 튜브로 형성할 수 있다. 열처리 어닐링은 중공 튜브의 꼭대기부 및 절곡부를 경화시키고, 이에 따라 각 중공 튜브 또는 코드들을 펴지 않고도 분리시키고 처리할 수 있다. 이와 같은 형상의 중공 튜브는 이미 설명한 바와 같이 열가소성 수지 내에서 포팅될 수 있다.
중공 섬유 멤브레인의 내면 또는 외면은 피복시키거나 혹은 피복시키지 않을 수 있다. 외피는 멤브레인의 기판과 일체로 된 얇은 밀도의 표면층이다. 피복된 멤브레인에 있어서, 멤브레인을 통한 유동에 대한 저항의 대부분이 얇은 외피에 남아 있게 된다. 표면 외피는 기판의 연속 다공성 구조체로 이어지는 기공들을 갖거나, 아니면 무공성 일체형 필름상 표면으로 구성할 수 있다. 다공성 피복 멤브레인에 있어서, 투과는 기공을 통과하는 연속하는 유동에 의해 주로 발생한다. 멤브레인의 두께를 가로지르는 기공의 크기에 대한 균일성에 있어서의 비대칭성을 참조해 보면, 중공 섬유 도관에 있어서의 그 비대칭성은 섬유의 다공성 벽이다. 비대칭 멤브레인은, 기공의 크기가 횡단면, 즉 단면을 관통하는 위치의 함수로서 통상적으로는 한 표면으로부터 대향 표면까지 가로지르면서 크기가 점차 증가하게 되는 구조체를 구비한다. 비대칭성을 정의하는 또 다른 방법은 한 표면 상의 기공 크기와 대향 표면 상의 기공 크기와의 비를 가지고 하는 것이다.
제조업자들은 하우징, 슬리브, 단부캡용으로 유용한 파이프 또는 두꺼운 벽 채널과 같은 도관, 중공 다공성 멤브레인 도관, 및 무공성 중공 도관을 여러 가지 재료, 가장 일반적으로는 합성 열가소성 폴리머 재료를 가지고 제조한다. 이들 재료는 가열되었을 때에 유동하여 성형될 수 있고, 냉각된 후에는 그 고유의 고상 물성으로 되돌아온다. 중공 도관이 사용되는 적용 장치의 조건이 더 심해지는 경우, 사용될 수 있는 재료는 제한되게 된다. 일례로, 마이크로전자 산업에서 웨이퍼 코팅용으로 사용되는 유기 용제 용액은 용해되거나 부풀어 오르며 대부분의 통상의 폴리머제 중공 섬유 멤브레인 또는 박벽 중공 튜브를 약화시킨다. 위와 동일한 산업 분야에서의 고온의 박피 처리조(stripping bath)는 통상의 폴리머로 제조된 멤브레인 및 박벽 중공 튜브를 파괴할 수 있는 고 침식성 액체로 이루어진다. 고온 및 고압은 폴리머 중공 멤브레인 및 박벽 중공 튜브를 변형시키고 약화시킬 수 있다. 하우징, 슬리브, 중공 도관용으로 유용한 과플루오르화 열가소성 폴리머는, 퍼플루오로알콕시[듀퐁(Dupont)사의 Tefron(상표명) PFA, 다이킨(Daikin) 사의 Neoflon(상표명) PFA, 듀퐁 사의 Teflon(상표명) PFA], 퍼플루오로메틸알콕시[오시몬트(Ausimont) 사의 Hyflon(상표명) MFA], 과플루오르화 엘틸렌 프로필렌[듀퐁 사의 Teflon(상표명) FEP] 및 이들의 공중합체를 포함하는데, 이에 제한되지는 않는다. 이들 과플루오르화 열가소성 물질은 화학적 내성 및 열적 안정성을 가지므로 이들 폴리머, 공중합체, 및 이들의 동시 압출물로 제조된 중공 멤브레인 및 중공 튜브는 화학적 및 열적으로 덜 안정적인 폴리머에 비해 유리하다고 판명될 수 있다. 사용될 수 있는 기타 다른 유용한 열가소성 플루오로폴리머에는, 비닐리덴 플루오라이드(VF2), 헥사플루오로프로펜(HFP), 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE), 비닐 플루오라이드(VF), 트리플루오로에틸렌(TrFE), 및 테트라플루오로에틸렌(TFE)과 같은 플루오르화 단량체와, 기타 다른 것들 중에서 선택적으로 하나 이상의 다른 비플루오르화 단량체와 조합된 것으로부터 유도된, 단량체를 포함하는 호모폴리머 및 코폴리머가 포함될 수 있다. 개질된 PTFE 및 PTFM은, 이들 재료가 포팅된 물질 에 접합되어 고착되기는 하지만 용융 처리가 가능하지 않으므로, 루멘용의 쉘 재료나 억제 재료로 사용하기에 적합하다. 덜 심한 사용 조건에서는, 본 발명을 실시함에 있어서 기타 다른 열가소성 물질이나 이들의 조합을 사용할 수 있고, 그 재료로로는 폴리에테르 술폰(PES), 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 및 기타 폴리올레핀이 포함되는데, 이에 제한되지는 않는다. 본 발명은 또한 폴리프로필렌 쉘 내의 폴리에틸렌 포팅 물질이나 PFA 쉘 내의 MFA 포팅 물질과 같이 유사하기는 하지만 동등하지 않은 물질용으로 사용될 수 있다. 돌출부, 홈, 또는 채널은 이와 같은 재료로 제조된 하우징 또는 슬리브 내에 제조될 수 있다.
교환 장치는 하우징, 중공 도관, 및 여러 가지의 열적으로 안정되고 화학적 양립할 수 있으며 기계적으로 강한 플루오로폴리머를 포함하는 포팅 수지로 제조될 수 있다. 플루오로폴리머는, 일례로, 플루오린을 함유하는 단량체로부터 형성된 호모폴리머를 포함할 수 있다. 하우징 및 중공 도관은 동시 압출 방식으로 제조되고 내면 및 외면 상에 하나 이상의 플루오로폴리머 층이나 각기 다른 플루오로폴리머층을 포함한다.
PFA 및 FEP는 열 유도 상 분리(TIPS: Thermally Induced Phase Separation) 공정을 이용하여 중공 다공성 멤브레인을 제조할 수 있는 플루오로폴리머의 예이다. TIPS 공정의 일례에서, 폴리머 및 유기 액체는 압출기에서 혼합되어 폴리머가 용해되는 온도까지 가열된다. 멤브레인은 압출 다이를 통한 압출에 의해 성형되고 그 압출된 멤브레인은 냉각되어서 겔 상태를 형성한다. 냉각 중에 폴리머 용액의 온도는 용액의 상한 임계 온도 이하로 감소한다. 그 온도는 균질화 가열 용액으로부터 2상이 형성되는 온도 이하의 온도로서, 상기 상 중 하나는 1차 폴리머이고, 다른 하나의 상은 1차 용제이다. 적절히 행해지면, 용제 풍부 상은 연속하는 상호 연결 공극을 형성한다. 이어서 용제 풍부 상이 압출되어 멤브레인이 건조된다.
교환 장치에 사용되는 하우징, 단부캡, 또는 슬리브는 원통형 튜브인 두꺼운 벽 도관과, 육각형, 직사각형, 또는 삼각형 도관을 포함하는 임의의 개수의 변을 갖는 도관으로 구성될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 하우징, 단부캡, 또는 슬리브는 이 하우징, 단부캡, 또는 슬리브의 내부에 접합된 하나 이상의 박벽 도관을 수용할 수 있는 내부 치수를 갖는다. 하우징 또는 슬리브는 열가소성 물질, 바람직하기로는 과플루오르화 열가소성 물질로 구성되는 것이 바람직하지만, 접합 공정 및 장치의 의도된 용도에서 화학적 양립성을 나타내는 홈을 구비한 열가소성 물질이 코팅된 금속, 복합 열가소성 물질, 또는 열가소성 물질로 코팅된 세라믹 재료로 구성될 수도 있다. 하우징 또는 슬리브는, 포팅 수지 또는 중공 도관에 접합될 수 있는 내부 층과 하우징에 대해 기계적 지지를 제공하는 외부 층이 가열 접합된 동시 압출 열가소성 물질을 가지고 형성될 수 있다. 바람직하기로는, 동시 압출 열가소성 하우징의 내부 층은 외부 층보다 낮은 용융 온도를 갖는다. 선택적으로, 하우징 또는 슬리브는 접합 영역에 하나 이상의 열가소성 부분 혹은 층을 갖도록 성형될 수 있다. 하우징 또는 슬리브의 돌출부, 홈, 이들의 조합, 또는 내면과 같은 구조체는 일례로 MFA와 같은 열가소성 내부 층을 가지고 코팅되거나 성형되어서 하우징 또는 슬리브 재료에 접착층을 제공하게 된다. 당업자라면 ASTM 표를 보게 되 면 특정 용도의 교환 장치용의 하우징, 단부캡, 슬리브용으로 허용될 수 있는 하우징 또는 슬리브 도관 벽 두께를 찾을 수 있을 것이다. 하우징, 단부캡, 또는 슬리브가 홈으로 이루어진 하나 이상의 구조체를 포함하는 경우, 홈 또는 채널의 깊이는 바람직하기로는 벽 두게의 약 1/2보다 작은 도관 벽 내에 있다.
열가소성 물질, 바람직하기로는 과플루오르화 열가소성 물질로 전적으로 구성된 단일체를 형성하는 데 사용되는 하우징, 슬리브, 또는 단부캡은, 우선 포팅 및 접합 단계 이전에 하우징 또는 하나 이상의 슬리브의 양 단부의 표면을 전처리하여 준비된다. 이는 분말상 열가소성 포팅 물질을 하우징, 하나 이상의 슬리브, 및 이들의 내면 상에 있는 홈 또는 돌출부에 융접 또는 소결시킴으로써 완성된다. 하우징의 양 단부의 내면은 그 재료의 융점에 근접하게 혹은 그 융접에서 가열되고서 즉시 분말상 [폴리테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로메틸비닐에테르], MFA, 열가소성 포팅 수지를 함유하는 컵 안으로 침지되는데, 상기 재료는 미국 뉴저지주 토로페어에 소재하는 오시몬트 유에스에이 인코포레이티드로부터 구입할 수 있다. 하우징의 가열된 표면의 표면 온도는 포팅 수지의 융점보다 높기 때문에 이어서 포팅 수지는 그 포팅 수지, 중공 도관, 또는 이들의 조합을 하우징에 접합시키기 위한 열가소성 하우징, 임의의 채널, 홈, 또는 융기된 부분, 또는 이들의 조합에 융접되거나 소결된다. 하우징 또는 슬리브 상의 비제한적인 예로 제시한 융기된 부분 또는 돌출부는 도9에 예시된 소결된 열가소성 코팅(936)이다. 하우징은 임의의 과도한 녹지 않은 열가소성 분말을 녹이기 위한 제2 가열 단계에서 연마될 수 있다. 하우징의 각 단부와 슬리브의 각 단부는 이와 같은 전처리를 통해 적어도 2회 처리된다. 도9는 하나 이상의 홈(904, 912)을 구비하는 하우징의 도관 형성된 접착성 열가소성 코팅(936)을 예시하는 것이다.
본 발명의 중공 도관 교환 장치, 특히 하나 이상의 다공성 및/또는 무공성 중공 튜브 또는 다른 형상의 도관을 포함하는 중공 도관 교환 장치는, 큰 유체 접촉 면적을 갖도록 제조될 수 있으므로 유리하다. 큰 유체 접촉 면적은 교환 장치 내의 중공 도관의 아주 높은 포장 밀도를 얻을 수 있는 능력에 기인하는 것이다. 포장 밀도는 교환 장치의 단위 체적 당 유용한 멤브레인의 표면의 양과 관련된 것이다. 이는 최종 접촉기에 포팅될 수 있는 튜브, 도관, 섬유, 또는 이들이 조합된 것의 수와 관련된다. 쉘 튜브, 하우징, 또는 슬리브 내의 중공 섬유, 중공 튜브, 이들의 선, 및 이들의 조합과 같은 중공 도관의 포장 밀도는 3 내지 99 체적%의 범위, 바람직하기로는 20 내지 70 체적%의 범위, 더 바람직하기로는 40 내지 60 체적%의 범위에 있다.
중공 섬유 미공성 멤브레인은 여과, 가스 접촉, 탈기와 같은 질량 교환 작동용으로 사용될 수 있다. 소수성 미공성 중공 섬유 멤브레인은 처리할 유체가 멤브레인을 적시지 않는 탈기기 또는 접촉기 적용 분야에서 일반적으로 사용되고 있다. 가스 접촉에 있어서, 액체는 멤브레인의 일 측면 상에서 유동하고, 용액에 비해 압력이 낮은 가스 혼합기는 바람직하기로는 다른 측면에서 유동한다. 멤브레인의 각 측면 상에서의 압력은, 액체 압력이 멤브레인의 임계 압력을 넘지 않도록 하면서 가스는 액체 안으로 기포를 형성하지 않도록 유지된다. 액체가 기공 안으로 침입하는 압력은 멤브레인을 제조하는 데 사용된 재료에 직접 연관되는데, 멤브레인의 기 공 크기에 대해서는 반비례하고, 가스 상과 접촉하는 액체의 표면 장력과는 적접적인 연관성을 갖는다. 멤브레인 교환기를 접촉시키는 통상의 적용 분야로는, 액체로부터 용해된 가스를 제거시키는 이른바 "탈기"라 하는 것이나 혹은 액체에 가스상 물질을 추가시키는 것이 있다. 일례로, 반도체 웨에퍼를 세척하기 위하여 고순도 물에 오존을 가하는 것이 있을 수 있다.
본 발명의 교환 장치는 특정 적용례에서 더 바람직한지 여부에 따라서 포팅 중공 튜브 또는 도관의 내면 또는 외면과 접촉하는 공정 유체를 가지고 작동시킬 수 있다. 중공 도관 및 하우징의 쉘 측 상에서 유체 분배가 이루어질 수 있도록 하기 위하여 하우징 또는 유체 유동 배관재의 도관 배플 및 다른 삽입체가 장착될 수 있다.
포팅은 하우징 내의 일례로 중공 튜브 또는 중공 섬유와 같은 각 중공 도관 둘레에 유체 밀봉부를 형성하는 공정이다. 튜브 쉬트 또는 포트는 교환기 또는 접촉기용의 하우징 내부를 외부 환경으로부터 분리시킨다. 포팅 물질은 돌출부, 채널, 도는 홈과 같은 내면 구조체를 포함하는 하우징에 접합된다. 접합에는, 물질을 화학적으로 접합시키는 것뿐만 아니라, 열가소성 물질을 용접 또는 융접하는 동안에 용융된 물질을 물리적으로 혼합하는 것과, 물질을 기계적으로 상호 고정시키는 것도 포함된다. 바람직하게도, 하우징과 그 홈들 사이의 접합이 유체 밀봉부를 제공한다. 단일 단부 구조체를 형성하기 위한 접합은 포팅 물질과 하우징 표면과 하우징 홈 표면 사이에서 형성된다. 이러한 접합은 포팅 물질과 하우징 물질을 단일체로 융접, 용융, 또는 용접시킨 결과이다. 하우징의 임의의 코팅 표면을 포함한 개념의 하우징과 포팅은, 용접, 유도 가열, 초음파 접합, 적외선 가열, 및 포팅과 같은 것을 포함하지만 그에 제한되지는 않는 여러 가지 가열 방법에 의해 서로가 융접 또는 용접되는 열가소성 물질로 구성된다. 하우징 및 포팅 물질은 일례로 하우징 물질은 PFA로 하고 포팅 물질을 MFA로 하는 것처럼 서로 다른 물질로 구성하거나 혹은 같은 물질로 구성할 수 있다. 포팅 물질은 단일 단부 구조체를 형성하기 위해 본 발명에 있서의 하우징의 도관 있는 채널, 홈, 또는 융기된 구조체와 하우징의 용기에 가열 접합된다. 하우징 및 채널의 내측은, 포팅과 하우징 간의 접합을 용이하게 하기 위하여, 하나 이상의 내부 하우징 표면에 소결, 성형, 또는 동시 압출된 포팅 수지의 층으로 코팅될 수 있다.
유체 밀봉과 관련해서는, 서로가 용접이나 융접되거나, 혹은 유체가 접합된 영역을 통과하여 유동하지 못하는 것을 특징으로 하는 서로 간의 기계적 접합을 형성하는 포팅 수지, 열가소성 하우징, 중공 도관 및 이들의 조합을 참조하면 된다. 포팅 영역 내의 섬유 또는 튜브와 같은 중공 도관에 있어서, 유체는 튜브의 내측을 통하여 유동하는 데, 그 유체는 도관 벽 및 포팅에 의해 중공 튜브 또는 섬유의 외측의 유체로부터 물리적으로 분리된다.
통합된 터미널 단부 블럭 또는 단일 단부 구조체라는 용어는 중공 튜브, 중공 섬유, 또는 이들의 선과 같은 하나 이상의 중공 도관과 하우징 또는 슬리브에 접합된 열가소성 수지의 질량 또는 원천을 설명하는 것이다. 수지를 하우징 및 도관과 접합시키는 것에는, 수지와 하우징 및 도관의 구조체 간의 기계적 접합, 화학적 접합, 용접, 융접 접합, 또는 이들의 조합이 포함된다. 도3은 열가소성 수 지(310)에 융접 접합된 중공 도관(318, 320)의 예와 통합된 터미널 단부 블럭 구조체를 형성하는 데 사용된 하우징 내면(316) 내의 하나 이상의 채널(304)을 충전하는 예를 도시하는 것이다. 도3은 튜브의 중공부를 절단 개방한 통합된 터미널 단부 블럭 구조체를 나타내고 있다. 열가소성 수지(310)는 홈(304)의 일 부분과 튜브(330)들 사이의 공간을 점유하여 접합된 구조체를 형성하는데, 여기서의 접합은 수지와 튜브와 홈과 하우징 벽 사이의 기계적 접합과 용접 접합의 조합이다. 수지는 또한 하우징 및 홈 표면(도시되지 않음) 상의 소결된 열가소성 물질의 층에 접합된다.
단일 단부 구조체는 절단 도는 기계 가공되어 중공 도관의 루멘이 노출된다. 포팅 수지 및 중공 튜브 단부는 수지 및 튜브 단부가 도3 또는 도7d에 도시된 교환 장치의 단일 단부 부분용으로 도시되어 있는 하우징 또는 슬리브 단부와 대등해지도록 개방될 수 있다. 선택적으로, 포팅 물질 및 튜브는 제거되어서 도1a, 도1b 및 도7c에 도시된 것과 같은 하우징 또는 슬리브 단부의 하나 이상의 단부 아래에 위치하는 영역으로 개방된다. 일례로, 도1a에 도시되 바와 같이, 포팅 수지(106)는 하우징 단부(131, 121)로부터 하우징(128, 117)의 단부 아래의 영역까지 제거된다. 마찬가지로, 도1b에서, 포팅은 하우징 단부(163, 153)로부터 도면 부호 161 또는 155로 나타낸 하우징의 단부의 아래 또는 내측 영역가지 제거된다.
다공성 또는 피복 중공 섬유의 직경은 100 내지 1000㎛의 범위로 할 수 있다. 벽 두게는 최소화되어야 하고 바람직한 두께는 25 내지 350㎛이다. 중공 섬유 베드는 두께가 깊이 및 길이에서 1 내지 25cm 범위이고 폭이 10 내지 100cm인 섬유 의 매트로 구성될 수 있다. 베드는, 직경이 1 내지 25cm이고 길이가 20 내지 300cm인 원형으로 할 수 있으며, 섬유의 베드 전체에 걸쳐서 가스를 분배하기 위한 복수의 배플을 구비할 수 있다. 접촉기의 중공 섬유는 직선형으로 할 수 있고 긴밀하게 포장될 수 있다. 중공 섬유는 아주 길며 장치의 길이와 거의 같은 길이까지 둘러쌀 수 있고, 포팅 공정 중에 수지 유동을 용융시키기 위해 섬유의 단부를 폐쇄시키는 것이 효과적이다.
외경이 0.017 내지 1.27cm(0.007 내지 0.5 인치), 바람직하기로는 0.063 내지 0.25cm(0.025 내지 0.1 인치)의 범위인 열가소성 물질로 제조된 무공성 중공 튜브인 중공 도관이 본 발명의 교환 장치에 사용될 수 있다. 무공성 중공 튜브를 통한 열 교환기 도는 질량 교환기용으로서, 바람직하기로는 중공 튜브는 0.0025 내지 0.25cm(0.001 내지 0.1 인치) 범위의 벽 두께, 바람직하기로는 0.0075 내지 0.0125cm (0.003 내지 0.05 인치) 범위의 두께를 갖는다. 무공성 중공 튜브를 통한 질량 교환, 즉 가스 분리를 위해, 중공 튜브 벽의 두께를 얇게 할 수 있다. 중공 튜브들은 개별적으로 사용되거나, 혹은 다수의 중공 튜브로 이루어진 코드를 형성하기 위하여 편조, 주름 형성, 또는 꼬기에 의해 결합될 수 있다. 중공 튜브는 아주 길며 장치의 길이와 거의 같은 길이까지 둘러쌀 수 있고, 포팅 공정 중에 수지 유동을 용융시키기 위해 중공 튜브의 단부를 폐쇄시키는 것이 효과적이다.
열가소성 중공 도관은 동시 압출 열가소성 튜브와, 교한 장치를 형성하기 위하여 슬리브 또는 하우징 안으로 포팅될 수 있는 다공성 중공 섬유를 포함한다. 동시 압출 튜브 또는 다공성 중공 섬유는 일례로 동시 압출 튜브의 가장 내측 부분 또는 층에 비해 융점 또는 용융 유동 지수가 낮은 열가소성 물질을 포함하는 하나 이상의 층 또는 부분을 구비할 수 있다. 동시 압출 튜브의 층들은 서로가 가열 접합되거나 융접된다. 이와 같은 형태의 동시 압출 튜브의 비제한적인 예로는 MFA 외층 및 PFA 내층을 들 수 있다. 또 다른 예로는 FEP 외층 및 PFA 내부 부분을 구비하는 중공 튜브가 있다. 동시 압출 중공 도관의 하나 이상의 층은 열 전도성 물질을 포함하고, 바람직하기로는 중공 도관의 하나 이상의 외부 층이 열 전도성 물질을 포함하는 것이 좋다. 일례로, 동시 압출 튜브의 MFA 외부는 전도성 탄소 입자를 포함한다. 포팅 중에, 튜브의 MFA 내의 상기 전도성 입자는 인접하는 중공 튜브로부터 나온 MFA나 혹은 열가소성 포팅 수지와 혼합되거나 결합된다. 동시 압출 튜브의 포팅되지 않은 영역은 도2c에 도시한 바와 같이 열 전도성 입자를 갖는 MFA 층을 유지한다. 이러한 열 전도성 층은 튜브의 외측 상의 유체와 접촉하여 튜브의 루멘 상의 유체와 에너지 교환을 한다.
동시 압출 튜브용의 하나 이상의 열가소성 물질은, 서로 간의 접합, 수지와의 접합, 포팅 공정에 사용된 이들의 조합에 적합한 튜브를 제조하는 특성뿐만 아니라 일례로 열 전도성과 같은 물리적 특성 및/또는 화학적 특성을 위해 선택된다. 일례로, 포팅 중에 튜브의 외부 MFA 층은 용융되어서, 인접하는 튜브로부터 나온 MFA와 융접되거나, 포트 내의 수지와 융접되거나, 혹은 이들의 조합이 이루어지는데, 이 때 튜브의 내부 PFA 층은 루멘을 개방된 상태로 유지한다. 포팅 온도 또는 융접 온도는, 동시 압출 튜브의 하나 이상의 외부 층들이 용융되어서 인접하는 튜브 또는 열가소성 수지와 융접되거나 결합되지만 내부 층은 개방된 상태로 유지될 수 있도록 선택된다. 외부 MFA 층 및 내부 PFA 층을 구비하는 튜브류에 있어서, 바람직한 포팅 온도는 290 내지 305℃이고, 다른 동시 압출 열가소성 중공 튜브의 포팅 온도는 통상적인 실험 및 도8의 시험 매니폴드를 사용하여 결정될 수 있다.
도1a 내지 도1c에 도시된 바와 같이, 교환 장치는 하나 이상의 동시 압출 열가소성 중공 튜브를 포함할 수 있다. 각 튜브는 유체 유동용의 입구 및 출구를 구비하고, 중공 튜브는 다른 동시 압출 열가소성 중공 튜브와의 접합이나 열가소성 수지로의 접합에 의해서 유체 밀봉된다. 중공 튜브의 입구는 튜브의 중공 부분에 유체를 공급하기 위한 슬리브 쪽으로의 접합에 의해서 유체 밀봉될 수 있고, 중공 튜브의 출구는 튜브의 중공 부분으로부터의 유체 제거를 위한 슬리브의 다른 부분 쪽으로나 혹은 제2 슬리브 쪽으로의 접합에 의해 유체 밀봉된다. 도7c에 상세하게 나타낸 바와 같이, 동시 압출 튜브는 서로가 접합되어서 열가소성 수지(722)에 의해 하우징에 접합된다. 교환 장치는 일례로 도1a의 도면 부호 124 또는 도1c의 도면 부호 186과 같은 중공 튜브를 둘러싸는 슬리브 또는 하우징을 구비할 수 있다. 중공 튜브, 포팅 수지, 및 하우징은 열가소성인 것이 바람직하고, 더 바람직하기로는 과플루오르화 열가소성 물질인 것이 좋다.
본 발명에 사용된 중공 열가소성 도관 및 동시 압출 중공 열가소성 도관에는 이들의 열전도성을 증가시키기 위해 열 전도성 분말 또는 섬유를 함침시킬 수 있다. 유용한 열 전도성 물질의 예로는 유리 섬유, 질화 금속 섬유, 실리콘 및 탄화 금속 섬유를 들 수 있는데, 이에 제한되지 않는다. 에너지 교환을 위해 본 발명에서 유용한 중공 열가소성 튜브 및 함침 열가소성 중공 튜브의 열 전도성은 켈빈 온 도 당 미터 당 약 0.05와트보다 큰 것이 바람직하다. 동시 압출 중공 튜브는 중공 튜브의 여러 층들 중 임의의 층, 바람직하기로는 외부 층과 혼합되거나 결합된 열 전도 재료를 포함할 수 있다. 외부 층의 열가소성 물질은, 일례로 탄소 나노튜브, 열전도 도가 약 500 내지 1000 W/mK인 석유 피치로 제조된 흑연 섬유, 열전도도가 약 10W/mK인 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소 섬유, 열전도도가 약 60 내지 80W/mK인 질화 붕소와 같은 전기 절연성 세라믹 충전재, 열전도도가 약 300W/mK인 질화알루미늄, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 여러 실시예를 실시함에 있어서, 다공성 및 무공성 중공 튜브의 조합이 서로 포팅될 수 있다. 이와 같은 장치는 공정 유체와 교환 유체 사이에서 교환된 에너지의 양을 최대화하면서 교환된 질량의 양을 제한하는 데 사용될 수 있다. 일례로, 클린룸의 공기 온도를 조절하고 공기로부터 나오는 유기 아민의 추적된 양을 제거하기 위해, 온도 조절된 수성 황산이 교환 장치의 쉘 측면 상에서 재순환될 수 있다. 공기의 온도 조절은 튜브의 무공성 포팅 중공 튜브의 수에 따라 변화될 수 있으며, 질량 교환을 위한 수성 황산 세정 용액과의 접촉량은 교환 장치 내에 존재하는 다공성 포팅 섬유의 수와 형태에 의해 조절된다.
본 발명을 실시함에 있어서, 중공 튜브 접촉기 또는 교환 장치(도1에 도시되지 않음)의 어느 한 측면 상의 유체의 혼합 및 분배를 향상시키는 데에는 배플이 유용하다. 중공 섬유 접촉기 또는 교환기는 도4 내지 도6에 도시된 바와 같이 공정 유체 및/또는 교환 유체 중 어느 한 유체 또는 두 유체용의 단일 통과 모드나 재순환 모드에서 사용될 수 있다. 바람직하기로는, 접촉기에는 하우징의 쉘 및 루멘 측 상의 2 이상의 유체 포트 또는 배관재가 마련된다. 일반적으로 하나의 포트가 유체 입구 역할을 하고, 제2의 포트가 유체 출구 역할을 한다. 접촉기의 쉘 측면 상에서의 포트 또는 유체 접속부는 멤브레인 중공 도관의 다공성 벽 또는 중공 튜브의 무공성 벽 때문에 루멘측 입구와 출구 포트를 가지고 유체 유동을 제한하게 된다. 바람직하기로는 튜브 및/또는 섬유 내에서 유동하는 유체와, 튜브 및/또는 섬유의 외측 상에서 유동하는 쉘 측 유체는 도8에서 나타내는 바와 같이 대향류로 유동하는 것이 좋고, 그 유체는 바람직하기로는 유체의 서로에 대한 교차 유동을 최대화하는 방식으로 유동하는 것이 좋다.
도2b는 각기 다른 형태의 홈, 즉 포팅 영역에 있는 홈(244, 246, 250)과 포팅 영역 밖에 놓인 홈(242)을 도시하고 있다. 포팅 영역 내의 홈은 포팅 수지 또는 열가소성 물질과 접합된다. 도2b에 도시된 바와 같이, 포팅 영역의 외측에 홈(242)이 추가될 수 있다. 포팅 영역 밖에 하나 이상의 홈이 있을 수 있고, 이들 홈 또는 채널은 하우징의 내면 또는 외면 상에 있을 수 있다. 홈(244, 246, 250)을 포함하되 이것에만 제한되지 않는 홈이 포팅 수지에 접합되고, 이는 포팅 영역 내에 있는 것으로 간주되는데, 이는 또한 포팅 수지 및 중공 튜브를 구비하는 단일 구조체를 형성할 수 있다. 홈의 수와 면적은 제한 없이 변경될 수 있다. 이론에 구속하려고 하는 의도는 아니지만, 홈(242)은 이 지점에서 힌지시킴으로써 포트와 쉘 계면 상의 반경 방향 압력을 감소시키는 데 사용될 수 있다. 쉘은 열가소성 쉘을 팽창시키려는 공정 유체에 의해 가압된다. 내경부 또는 외경부 상의 응력 이완은 쉘로 하여금 그 특징부 주변에서 구부러지게 하고, 이에 의해 포트와 쉘의 계면 상의 응력이 감소되어 무결성이 유지된다.
도2a 및 도2b에 도시된 바와 같이, 홈 또는 이와 균등한 채널은 하우징 내의 홈을 기계 가공하거나 성형함으로써 형성된다. 제한 없이, 홈은 동심으로 구성할 수 있고, 도2b에 도시된 바와 같은 동일 또는 동일하지 않은 간격만큼 이격될 수 있는데, 이와 같은 홈은 튜브의 내측을 따라서 하나 이상의 나선 형태를 취할 수 있고, 하우징의 축선을 따라서 해칭된 패턴, 교차 해칭된 패턴, 이들의 여러 가지 변형 패턴, 또는 이들의 조합 패턴을 갖는 일련의 홈 채널로 구성될 수 있다. 홈 또는 채널은, 포팅 물질이 하나 이상의 채널을 덮어서 그와 접합될 수 있도록, 하우징의 단부로부터 떨어져 위치하는 것이 바람직하다. 채널 또는 하우징 벽은 여기서 개시하고 있는 바와 같이 포팅 물질을 접합시키기 위하여 홈에 인가되는 소결된 열가소성 물질로 덮이거나 코팅될 수 있다. 홈 또는 채널의 깊이는 하우징이 압력과 온도를 그 용도에 적합한 수준으로 유지할 수 있게 하는 정도로 하는 것이 바람직하다. 당업자라면 ASTM 표를 보게 되면 포팅 장치용의 허용될 수 있는 벽 두께를 찾을 수 있을 것이다. 바람직하기로는, 홈 또는 채널의 깊이는 하우징 또는 슬리브 쉘의 두께의 약 1/2보다 작은 것이 좋다.
홈, 채널, 또는 슬롯은 하우징, 단부캡, 또는 슬리브 벽 내의 소폭의 개구 또는 요입부와 관련되는데, 이는 서로 바꾸어서 사용될 수 있다. 양호한 실시예에서, 홈들은 도7c 및 도10의 하우징의 한 단부 부분용으로 도시된 바와 같이 서로가 상호 연결된다. 채널 또는 통기 슬롯은 포팅 공정 중에 홈 내에 발생되거나 갇혀 있는 가스가 채널 밖으로 이동할 수 있게 한다. 채널로부터 가스를 제거하게 되면 포팅 용유물이 홈을 충전하게 하여 포팅 물질이 하우징과 접합되고 선택적으로는 상호 체결되게 한다. 홈들 사이의 통기 채널은 홈 내의 가스가 빠져나갈 수 있게 하는 체적을 가질 수 있고, 바람직하기로는 통기 채널은 홈과 같은 깊이를 갖는 것이 좋다.
홈들 사이의 채널의 수와 분포는 포팅 중에 하우징 내에 존재하는 가스가 충분히 빠져나갈 수 있게 하여야 한다. 그 수는 일례로 하우징의 크기, 하우징의 벽 두께, 및 포팅 공정 중에 배출되어야 할 가스의 양에 따라 달라질 수 있다. 통기 채널의 깊이는 홈들 사이에서 변화시키거나 혹은 홈으로부터의 가스의 제거를 추가로 용이하게 하기 위하여 경사지게 할 수 있다. 교환 장치에서, 하우징은 홈을 구비하는 하나 이상의 단부 부분을 구비할 수 있다.
홈의 바닥뿐만 아니라 홈 및 통기 가장자리는 정사각형, 경사면형, 반경 방향 마무리부를 가질 수 있지만 이에 제한되는 것은 아니고, 하우징 내의 상부 및 바닥의 대부분의 홈의 가장자리는 내벽 쪽으로 테이퍼지게 형성된 슬롯(도시되지 않음)을 구비한 슬롯 형태 또는 구멍 형성 형태로 구성할 수 있다. 교환 장치의 단부 부분의 하나 이상의 홈은 바람직하기로는 슬롯 또는 채널에 의해 상호 연결되고, 교환 장치는 하나 이상의 단부 부분을 구비한다.
홈 또는 채널은 포팅 물질과 하우징 홈 사이의 접촉 및 접합되는 표면적을 최대화하는 형상을 갖게 할 수 있다. 홈의 측벽의 깊이 및 각도는 포팅 물질과 홈 사이의 접합 표면의 크기를 변화시킬 수 있게 구성될 수 있다. 채널과 포팅 사이의 접합을 위한 전단 성분의 크기를 증가시켜야 하는 것이 필요한 경우, 깊고 얇은 채 널이 바람직하다. 일부가 하우징 벽과 평행하지 않은 채널의 추가 면적은 포팅 수지가 홈의 전체 표면에 융합되고 접착되는 결과를 가져온다. 교환 장치의 사용 중에 장치의 열팽창 또는 압력 팽창에 의해 발생되는 반경 방향 힘은 교환 장치의 강도를 크게 향상시키는 포팅 수지와 홈의 표면과의 접합을 통해서 전단 성분으로 전달되는 힘의 일 부분이다.
열가소성 수지를 본 발명의 하우징에 접합시키는 데 있어 홈과 채널이 바람직하지만, 하우징 튜브의 내면 상에 영구적으로 접합 또는 융접되는 융기된 구조체를 형성시켜서 열가소성 포팅 수지를 하우징에 접합시키기 위한 채널 또는 홈과 동일한 효과를 가지고 사용할 수 있다는 점도 생각해볼 수 있다. 이와 같은 융기된 구조체는 본 발명의 목적을 위한 홈 또는 채널과 균등한 것으로 생각할 수 있다. 내부 하우징 벽에 접합된 소결된 열가소성 부분의 예로는 하우징 상에 융기된 표면 구조체 또는 돌출부를 들 수 있는데, 이에 제한되지는 않는다. 바람직하게도, 상기 구조체는 융기된 구조체와 포팅 수지 간의 접합 또는 융접이 이루어지게 한다. 바람직하게도, 상기 접합은 포팅 수지와 융기된 구조체 사이의 힘의 전단 성분에 반경 방향 힘의 일부를 전달한다.
채널 또는 홈은 단부캡, 슬리브, 또는 이들 중 하우징 벽에 접합된 그 어느 하나를 포함하는 하우징 내에 형성될 수 있다. 열가소성 수지와의 접합 및 하나 이상의 중공 튜브로의 접합에 사용되는 하우징의 내벽 상의 돌출부의 높이 또는 홈의 깊이 및 면적은, 수지와 접합시켜서 중공 튜브의 내측과 외측 상의 유체들 간의 분리를 유지하는 유체 밀봉을 형성하기 위해 선택된다. 홈의 깊이 및 면적, 통기 채널, 그리고 교환 장치의 특정 용도용의 하우징의 내벽 상의 돌출부의 높이 및 면적은 도8의 시험 매니폴드를 이용하여 결정되고, 교환 장치용의 적용 변수들로는 온도, 압력, 및 교환 장치와 접촉하는 유체의 화학 반응도가 있는데 이에 제한되지는 않는다. 교환 장치는 바람직하기로는 1 내지 4개의 홈, 더 바람직하기로는 교환 장치의 안전 한계 내의 깊이, 바람직하기로는 하우징 벽 두께의 약 절반보다 작은 깊이를 가지며 약 0.05 내지 0.5cm, 바람직하기로는 0.1 내지 0.3cm의 폭 개구 또는 높이를 갖는 2 내지 3개의 홈을 포함한다. 이들이 사용되는 경우, 통기 채널이 하우징 또는 슬리브의 벽을 따라서 홈들 사이에 형성될 수 있다. 바람직하기로는 1개의 홈 당 4 내지 8개의 통기 채널이 있고 그 통기 채널의 깊이는 홈의 깊이와 동일하거나 혹은 그보다 작은 것이 좋다.
하우징과 포팅 물질 간의 응력을 줄이기 위한 추가의 수단을 하우징 내의 채널 또는 홈에 추가하여 사용하는 것도 생각해볼 수 있다. 일례로, 하우징의 도관 채널을 구비하는 하우징은 포팅 물질과 쉘 간의 계면 상에서의 압력을 줄이기 위해 기계 가공하여 얇게 된 하우징 외벽을 구비할 수 있다. 얇게 한 재료는 재료의 움직임을 보다 용이하게 하여, 가요성 성분에 의해 자체 보상되는 온도 및 압력 효과에 의해 하우징에 융접된 포팅 수지 간의 접합의 무결성이 유지되게 된다.
교환 장치는 각 단부가 열가소성 하우징에 포팅된 하나 이상의 중공 도관을 포함할 수 있다. 열가소성 하우징에 포팅된 중공 튜브를 가지고 약 40 내지 50%의 포장 밀도를 가지지만 하우징 내에 하나 이상의 홈은 없이 일체형 교환 장치를 제조하여 표 1의 데이터로 요약한 바와 같은 열교환기로 사용하였다. 일례로 하우징 내에 동시 압출 튜브 또는 홈을 구비하며 비슷한 개수의 중공 도관을 구비한 본 발명의 열교환 장치는 표1에 도시된 것과 유사한 교환 성능을 가질 것으로 예상하는 것은 타당성을 갖는다.
표 1에 주어진 입구 온도에서 유동하는 중공 튜브의 루멘측 상의 물과 중공 튜브의 쉘측 상의 물 사이의 열교환은 교환 장치에 포팅된 중공 뷰트 벽을 통해서는 거의 같았다(약 10% 미만의 실험 오차 범위 내). 직경이 2.25인치이고 길이가 18인치인 표1의 교환 장치에서의 각기 다른 튜브 유량에서 쉘 유체에 의해 전달된 계산 열량 Q는 약 8,000와트 내지 10,000와트의 범위였고, 길이가 8인치이고 직경이 2.75인치인 하우징에서의 각기 다른 튜브 유량에서 Q는 약 13,900와트 내지 15,000와트의 범위였고, 길이가 27인치이고 내경이 2.25인치인 장치에서 Q는 약 14,700와트였다.
본 발명의 한 가지 이점은 체적이 작은 장치에서 그 장치에 포팅되는 중공 도관의 면적이 크다는 것이다. 일례로, 약 40 내지 50%의 포장 밀도를 갖는 표 1의 장치는 하우징 체적의 단위 ㎤ 당 약 11㎠의 전달 표면적을 갖는다. 이 전달 표면적 값은 포장 밀도가 더 커지면 더 커지고, 포장 밀도가 작아지면 더 작아진다.
본 발명의 일 실시예는 중공 도관의 벽을 통해서 제1 유체로부터 제2 유체로 열을 전달할 수 있는 하나 이상의 포팅된 중공 도관을 포함하는 교환 장치이다. 상기 교환 장치는 약 100℃의 온도와 약 50 psig의 압력에서 무결성을 유지하고, 상기 온도는 중공 도관 물질의 연속 사용 온도 또는 용융 온도이며, 상기 교환 장치는 바람직하기로는 약 160℃의 온도와 약 70 psig의 압력에서 무결성을 유지하고, 상기 온도는 중공 도관 물질의 연속 사용 온도 또는 용융 온도이다. 교환 장치는 바람직하기로는 20 내지 70 체적%, 바림직하기로는 40 내지 60 체적%의 중공 도관의 체적에 의한 포장 밀도를 갖는다. 약 9ft2(0.85m2)의 교환 면적을 갖도록 포팅된 중공 도관을 가지고 구성된 교환 장치는 중공 도관의 제1 측면 상에서 유동하는 유체와 중공 도관의 제2 측면 상에서 유동하는 제2 유체와의 사이에서, 바람직하기로는 중공 도관의 제1 측면 상에서 9.5 lpm으로 유동하는 제1 유체와 중공 도관의 제2 측면 상에서 5.8 lpm으로 유동하는 제2 유체와의 사이에서 적어도 약 13,000와트의 에너지를 교환할 수 있다. 교환기는 표2 내지 표5에 목록으로 만든 결과에 의해 나타낸 바와 같이 온도, 압력, 및 지속 시간의 여러 가지 시험 조건 하에서 20 내지 70%의 포장 밀도를 유지하는 상태에서 유체 무결성을 유지하였다. 교환 장치의 중공 도관이 표 1의 장치용으로 사용된 중공 도관과 유사한 경우, 본 발명의 장치도 유사한 교환 성능을 갖게 만들 수 있다고 예상하는 것은 타당성을 갖는다.
다공성 중공 섬유를 사용하여 제작되는 장치에 있어서, 표 1에 나타낸 것과 유사한 포장 밀도를 갖는 장치를 만들 수 있고, 비슷한 전달 면적(내부 멤브레인 면적은 포함하지 않음)이 얻어진다.
이하에서는 비제한적인 실시예를 참조하여 본 발명의 여러 가지 태양에 대해 예시한다.
[실시예 1]
이 실시예는 여러 가지 교환 장치의 응력 시험을 견뎌내는 능력을 비교하는 것이다.
표 2는 홈 형성 계면을 추가하는 이점을 나타내는 것이다. 원래의 PFA 디자인은 120℃에서 포팅 물질의 물결성에 대한 하우징의 손실을 나타내었다. 온도/압력 시험은 장치의 장기 외기 조건들을 가속시키는 방법이다. MFA 장치만이 150℃에서 접합 무결성의 손실을 나타내었다. 개선된 계면을 갖는 MFA 장치에 대한 모든 시험에서 온도를 상한 200℃ 및 그 이상으로 하였고, 향상된 홈 또는 채널을 구비하는 PFA 장치도 역시 온도를 상한 160℃로 하였다. 이 장치는 접합 강도를 결정하기 위하여 160℃ 온도 이후에 파괴적으로 시험되었다. 접합 강도는 장치의 외측을 약 0.080 내지 0.100인치의 벽 두께만을 남겨두고 얇게 절단하여 결정했다. 포팅된 영역 위에서 약 0.25인치의 쉘에 대해서 약 0.5인치의 폭과 약 0.25인치의 길이의 탭을 남겨두고 축방향과 원주 방향 절단을 하였다. 이어서 쉘 재료를 포팅 재료로부터 떨어지게 당기는 시도에서 상기 탭을 재료 상으로 당기는 데에 사용하였다. 이와 같은 방식으로, 접합 강도는 힘을 가지고 정성적으로 시험하거나, 혹은 인스트론(Instron)과 같은 기기를 가지고 정성적으로 시험하였다.
본 실시예의 과정은 계면에서의 응력을 제거함으로써, 그리고 그 응력을 홈 내에 갇힌 포팅 물질에 전달함으로써 장치의 강도를 전체적으로 향상시킨다. 이론에 구속시키려는 것은 아니지만, 일부가 하우징 벽과 평행하지 않은 채널의 추가 면적과 홈은 홈의 적어도 일부, 바람직하기로는 전체 표면에 대한 포팅 수지의 접착을 더해주며 하우징 쉘의 열팽창 또는 압력 팽창에 의해 발생되는 반경 방향 힘에 전단 성분을 더해준다. 이러한 전단 성분은 장치의 강도를 크게 향상시킨다.
| 시험조건 | 120℃ 70psig 5시간 |
130℃ 70psig 5시간 |
140℃ 70psig 5시간 |
150℃ 70psig 5시간 |
*160℃ 5시간 |
*170℃ 5시간 |
*180℃ 5시간 |
| 원래의 PFA 튜브 |
무결성 손실 |
||||||
| 응력 홈이 새겨진 PFA 튜브 |
무결성 손실 |
||||||
| 홈 형성 내경부를 갖는 PFA 튜브 |
합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | ||
| 원래의 MFA |
합격 | 합격 | 합격 | 무결성 손실 |
|||
| 응력 홈이 새겨진 MFA 튜브 |
합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 |
| 홈 형성 내경부를 갖는 MFA 튜브 |
합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 |
| 회전하는 설비로 화염시킨, 원래의 MFA |
합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | |
| 회전하는 설비로 화염시킨, 홈 형성 내경부를 갖는 MFA |
합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 | 합격 |
[실시예 2]
본 전조적 실시예는 본 발명의 포팅 장치가 여과, 가스 접촉, 열 교환, 가스 세정, 및 이들의 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 열 및/도는 질량 교환에 사용될 수 있다는 것을 보이는 것이다.
포팅 장치는 단일 웨이퍼 세정 툴, 재순환 클리닝 처리조를 포함하되 이에 제한되지 않는 기판 표면의 클리닝 또는 화학적 개질을 위한 설비에 배치된다. 상기 장치는 유체(광 섬유로부터 폴리머 코팅을 제거하고 코팅된 실리콘 웨이퍼로부터 포토레지스트를 제거하는 데 사용되는 고온 황산과 같은 유체)를 폐기하기 전에 온도 조절하는 데 사용될 수 있다. 도4에 도시된 바와 같이, 탱크(448)(또는 도시되지 않은 건물 공급원으로부터 나오는 냉수 또는 냉각기) 내의 교환 유체 또는 작동 유체(450)는 포팅된 열교환기(416)의 일 측면을 통해 유동하도록 보내진다. 필요한 경우에는 교환 유체(450)를 재순환시키기 위한 펌프(446)가 포함될 수 있으며 입자 필터(408) 및 밸브(412)도 사용될 수 있다. 세정 또는 공정 처리조로부터 나온 공정 유체(428), 즉 용제, 산, 염기, 산화제, 및 이들의 조합 및 혼합을 포함하되 이에 제한되지는 않는 공정 유체는 교환 장치 내의 중공 튜브의 쉘측 상에서 재순환되고, 그 공정 유체 온도는 중공 튜브 벽을 통하여 교환 유체(450)과 접촉하면서 조절(가열 또는 냉각)된다. 온도 조절된 유체(428)는 기판(434)에서 사용하기 위해 공정 처리조 또는 툴로 복귀한다. 도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 포팅된 교환 장치(528)는 공정 유체 또는 세정 유체를 출구 밸브(532)로 배출시키기 전에 냉각시키는 데 사용될 수 있다. 이와 같은 유체의 예로는 고온 황산 또는 인산을 들 수 있는데 이에 제한되는 것을 아니다.
[실시예 3]
본 실시예는 고온에서 사용하기에 적합한 포팅된 멤브레인 장치 및 그 제조 방법을 예시하는 것이다.
포팅된 여과 장치는 2.25인치 ID를 가지며 길이가 12.65인치인 MFA 하우징을 구비하며 약 3000개의 MFA 다공성 중공 섬유들을 수용한다. 이 장치는 깊이가 0.25cm이고 높이가 0.15cm인 4개의 홈을 갖는다. 홈들 사이에 통기 채널이 형서오되었다. 하나의 홈 당 약 6개의 통기 채널이 있고, 통기 채널의 깊이는 약 0.15cm였다. 포팅 용융물은 3일 동안 278℃에서 가열된 MFA이다.
상기 장치는 다음과같은 조건하에서 유체 무결성이 시험되었다. 가압 하의 100℃ 내지 210℃의 온도를 유지하는 고온 유체를 아주 느린 유속으로 장치의 쉘측 안으로 공급하였고 튜브에서는 유체 유동이 없었다. 양쪽 단부캡을 씌웠다. 상기 장치를 매일 육안 검사하였다. 루멘 측에 오일이 조금이라도 누적된 것은 불합격으로 하였다. 이 실험 결과를 표3에 목록으로 만들었다.
상기 장치를 시험하는 데 사용될 수 있는 시험 장치는 도8에 나타내었다. 시험 중에 유체는 입구(820) 안으로 들어가서 쉘측 상의 출구(823)에서 빠져나왔다. 사용된 유체는 루브-테크 루브리케이션 테크날러지스 인크.(Lube-Tech Technologies, Inc.)에 의해 제조된 열교환 유체 HT3이다. 크로마록스(Chromalox) 열교환기 모델 번호 #NWH0-34515로 도면 부호 826 장치를 가열하였고 압력은 출구 유동 밸브(838)로 조절하였다. 밸브(838)는 유동을 제한하고 오메가 압력 게이지(822)를 이용하여 측정된 유체 압력을 증가시키기 위해 폐쇄하였다. 유체는 70 psig에서 분 당 약 0.46 갤런으로 유동하였다. 210℃에서 유체가 열화되었기 때문에 그온도에서 시험을 중지하였다. 이 시험 결과를 표3에 요약하였다.
[실시예 4]
본 실시예는 열가소성 슬리브 안으로 접합된 중공 튜브를 형성하기 위하여 열가소성 수지 안으로 포팅된 동시 압출 중공 튜브를 예시하는 것이다.
포팅된 장치를 준비함에 있어서, 공정 윈도우는 MFA 튜브 물질의 특성(융점, 용융 유동 지수, 튜브 치수 및 형상)에 따라 변화하고 달라진다. 이들 특성은 배치(batch)마다 변화할 수 있으며 온도 및 포팅 시간과 같은 공정 변수들을 변화시키고 조정함으로써 수용될 수 있다. 포팅 도중의 과열은 튜브의 찌그러짐을 유발하고 부족한 가열은 포팅 중에 일부 튜브가 접합되지 못하게 한다. 튜브의 찌그러짐을 방지하기 위한 여러 가지 기술, 일례로 섬유 또는 튜브 루멘 안에 금속 와이어를 집어 넣거나 루멘을 무기염으로 충전시키는 것과 같은 기술을 사용할 수 있다. 그러나 이러한 방법은 노동 집약적이며 비용이 들며 장치에 오염을 더할 수 있다.
동시 압출 튜브는 교환 장치를 형성하기 위해 슬리브 또는 하우징에 포팅된다. 본 발명의 일 실시예는 과플루오르화 동시 압출 튜브 또는 그 재료로 제조된 교환 장치와 같은 물건이다. 동시 압출된 과플루오르화 튜브는 융점이 낮거나 가장 내부 부분보다 낮은 융용 유동 지수를 갖는 과플루오르화 열가소성 물질을 포함하는 적어도 하나의 외부 층 또는 부분이나, 동시 압출 튜브의 층을 갖는다. 동시 압출 튜브의 각기 다른 과플루오르화 층들은 서로가 가열 접합된다. 동시 압출 튜브의 비제한적인 일례로는 도12의 (A) 및 (C)에 예시된 바와 같이 MFA 외부 층과 내측 층 상의 PFA를 들 수 있다. 과플루오르화 열가소성 층들 모두는 튜브의 압출 중에 서로 가열 접합된다. 도시된 튜브의 전체 치수는, 0.0076±0.0025cm(0.003인치± 0.001인치)의 MFA 외벽과 0.0076±0.0025cm(0.003인치±0.001인치)의 PFA 벽을 갖는 ID 0.01±0.005cm(0.004인치±0.002인치)이다. 이 튜브는 미국 사우스캐롤라이나 오렌지버그에 소재하는 제우스 인더스트리얼 프로덕츠, 인크.(Zeus Industrial Products, Inc.)에서 입수할 수 있다.
0.95cm(3/8인치) x 7.6cm(3인치)의 PFA 쉘 안에 삽입되는, 7.6cm(3인치) 길이의 MFA 외부 측/PFA 내부 층 동시 압출 튜브 열가소성 중공 도관 5개를 사용하여 교환기 샘플을 제조하였다. 이 조립체는 300℃의 용융 MFA 조에 16시간 동안 놓아 두었다. 샘플을 제거하여서 절단 개방하여 루멘을 개방시켰다. 샘플은 도13의 (B) 및 (D)에 도시된 바와 같이 광 현미경 아래에서 분석하였다. MFA 포팅 부분이 포트 내에서 용융되어 융접되었으나, 도시된 바와 같이 튜브는 이러한 포팅 조건 하에서 찌그러지지 않았다. 유사한 길이, 벽 두께, 직경을 갖는 MFA 중공 튜브만을 사용하여 만든 샘플은 300℃의 용융 MFA 조에서 포팅될 때 튜브를 완전히 찌그러뜨렸다. 이 샘플을 도13의 (A) 및 (C)에 도시된 바와 같이 광 현미경 아래에서 분석하였다.이 실시예는 융점이 높은 내부 층을 갖는 동시 압출 중공 튜브를 이용할 때에 포팅된 교환 장치를 제조하는 데 이용 가능한 보다 큰 공정 허용 범위를 예시하고 있는 것이다. 중공 튜브 열가소성 물질의 특성에서의 변동이나 포팅 중에 튜브의 완전한 찌그러짐을 야기하는 가열 설비는 동시 압출 중공 튜브를 사용함으로써 피할 수 있다.
[실시예 5]
본 실시예는 하우징에 포팅된 하나 이상의 동시 압출 중공 도관을 가지고 제조하는 교환 장치의 제조 및 무결성을 예시하는 것이다.
피트 당 약 13개 꼬임선을 갖는 650개의 꼬인 루프형 동시 압출 튜브의 다발을 제조하였다. 튜브의 길이는 8.7인치, 내경은 0.0042인치, 벽 두께는 0.006인치이다. 튜브는 서로가 가열 접합되는 2개의 재료, MFA 및 PFA(듀퐁 450HP)로 제조하였다. 외벽은 MFA이고, 내벽은 PFA이다. MFA 층과 PFA 층 모두는 약 0.003인치의 두께를 가지며, 총 벽 두께는 약 0.006인치이다. 상기 다발을 MFA를 가지고 제조한 2.25인치 ID, 2.88인치 OD, 8.7인치 길이를 갖는 쉘에 배치하였다. 상기 쉘은 3개의 내부 홈과 양 단부를 갖는다. 각 홈은 깊이가 0.25cm, 폭이 0.15cm이다. 각 단부 상의 내측 쉘 또는 하우징 벽을 분말상 MFA 층으로 소결시켰다.
포장 밀도는 약 40%였다. 쉘은 4인치 ID x 4인치 깊이의 공동을 갖는 가열기 블록 내에 배치하였다. 상기 공동은 알루미늄 포일로 라이닝하였다. 쉘을 상기 공동 내에 클램프로 수직되게 유지시켰다. 쉘과 공동 벽 사이의 공간에 310그램의 오시몬트사 MFA 940AX 수지를 부었다. 이어서 가열기 블록을 297℃까지 가열하고 그 온도를 2일 동안 유지시켰다. 2일 후에 가열기 블록을 150℃까지 서냉시키고 이어서 실온까지 냉각시켰다. 튜브를 갖는 쉘을 제거하였다. 튜브의 대향 단부를 이미 설명한 포팅 방법과 유사한 방법을 사용하여 하우징의 반대측 단부까지 밀봉시켰다. 다발 내의 루프 단부 위의 위치에서 포트를 관통하여 쉘의 직경부를 가로질러 절단하여 중공 도관의 중공부를 노출시켰다. 과잉의 포팅 재료를 제거하였다. 2개의 3/4인치 PFA 유체 배관재를 쉘에 열 접합시켰다.
이 장치를 가압 하의 140℃ 내지 200℃의 고온 유체 조건에서 유체 무결성에 대한 시험을 하였다. 가열 유체는 분 당 6리터로 장치의 쉘 측에 공급되었고, 튜브 측에서는 유동이 없었다. 장치의 양 단부를 벗겨내어 공기 중에 노출시켰다. 매일 육안 검사를 하였다. 튜브 측에 오일이 조금이라도 누적된 것은 불합격으로 하였다. 이 실험 결과를 표 4에 목록으로 만들었다. 이 시험 장치는 도8에 개략적으로 나타내었고 실시예 3에서 설명하였다.
이 시험 결과, 하나 이상의 홈을 가지고 제조된 하우징에 접합된 하나 이상의 중공 도관을 구비한 과플루오르화 교환 장치는 이 시험 조건 하에서 무결성을 유지함을 알 수 있다.
[실시예 6]
본 실시예는 동시 압출 열가소성 중공 튜브(MFA 외벽 및 PFA 내벽)과 MFA로 만든 중공 튜브와의 혼합을 포팅하여 교환 장치를 제조한 것을 예시하고 있다.
동시 압출 튜브 장치를 예로 든다. 650개(피트 당 13개 꼬임)의 꼬인 루프형 동시 압출 튜브의 다발을 제조하였다. 650개 튜브의 약 2/3는 MFA로 제조된 중공 튜브이고, 650개 튜브의 약 1/3은 동시 압출 MFA/PFA 중공 튜브로 제조된 것이다. 튜브의 길이는 8.7인치, 내경은 0.0042인치, 벽 두께는 0.006인치이다. 튜브의 2개의 재료는, MFA만으로 이루어진 중공 튜브와, MFA 외부 층과 PFA(듀퐁 450 HP) 내부 층을 구비하는 동시 압출 중공 튜브이다. 동시 압출 튜브에 있어서, MFA 층과 PFA 층 모두는 약 0.03인치의 두께를 가지며, 총 벽 두께는 약 0.006인치이다. 상기 다발을 MFA를 가지고 제조한 2.25인치 ID, 2.88인치 OD, 8.7인치 길이를 갖는 쉘에 배치하였다. 상기 쉘은 3개의 내부 홈과 양 단부를 갖는다. 각 홈은 깊이가 0.25cm, 폭이 0.15cm이다. 각 단부 상의 내측 쉘 또는 하우징 벽을 분말상 MFA 층으로 소결시켰다.
포장 밀도는 약 40%였다. 쉘은 4인치 ID x 4인치 깊이의 공동을 갖는 가열기 블록 내에 배치하였다. 상기 공동은 알루미늄 포일로 라이닝하였다. 쉘을 상기 공동 내에 클램프로 수직되게 유지시켰다. 쉘과 공동 벽 사이의 공간에 310그램의 오시몬트사 MFA 940AX 수지를 부었다. 이어서 가열기 블록을 297℃까지 가열하고 그 온도를 48시간 동안 유지시켰다. 2일 후에 가열기 블록을 150℃까지 서냉시키고 이어서 실온까지 냉각시켰다. 튜브를 갖는 쉘을 제거하였다. 튜브의 대향 단부를 유사한 포팅 방법을 사용하여 하우징의 반대측 단부까지 밀봉시켰다. 다발 내의 루프 단부 위의 위치에서 포트를 관통하여 쉘의 직경부를 가로질러 절단하였다. 과잉의 포팅 재료를 제거하였다. 2개의 3/4인치 PFA 유체 배관재를 쉘에 열 접합시켰다.
이 장치를 다음과 같은 조건에서 유체 무결성에 대한 시험을 하였다. 즉, 가압 하의 100℃ 내지 140℃로 가열된 고온의 오일 유체를 분 당 6리터로 장치의 쉘 측에 공급하였고, 튜브 측에서는 유동이 없었다. 장치의 양 단부를 벗겨내어 공기 중에 노출시켰다. 매일 육안 검사를 하였다. 튜브 측에 오일이 조금이라도 누적된 것은 불합격으로 하였다. 이 실험 결과를 표 5 목록으로 만들었다. 이 시험 장치는 도8에 개략적으로 나타내었고 실시예 3에서 설명하였다.
| 기간 | 유체 온도 (℃) | 유체 압력 (psig) | 지속 시간 (단위: 시간) |
장치 무결성 |
| 1일 |
100 | 50 | 24 | 합격 |
| 2일 |
120 | 50 | 24 | 합격 |
| 3일 | 140 | 50 | 24 | - 섬유는 합격 - 하우징 유체 배관재는 불합격 |
이 시험 결과, 중공 열가소성 도관과 중공 동시 압출 열가소성 도관과의 혼합 및 하우징에 하나 이상의 홈을 가지는 본 발명의 교환 장치는 적어도 24시간 동안 상한 140℃의 온도와 50 psig의 압력에서 무결성을 유지할 수 있다는 점을 알 수 있다.
본 발명의 특정의 바람직한 실시예를 참고하여 본 발명을 상당히 상세하게 설명하였으나, 다른 실시예도 가능하다. 따라서 청구범위의 정신 및 범위는 본 명세서에 포함하고 있는 설명 및 양호한 실시예에 제한되어서는 안된다.
Claims (36)
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- 중공 도관의 제1 단부 부분이 제1 열가소성 수지에 융접되는 하나 이상의 동시 압출 열가소성 중공 도관으로서, 상기 제1 열가소성 수지는 제1 슬리브의 표면 상에 융접되거나 또는 터미널 단부 블럭 구조체 내의 열가소성 하우징의 제1 단부의 표면에 융접되는, 하나 이상의 동시 압출 열가소성 중공 도관과,제2 열가소성 수지와 융접되는 하나 이상의 동시 압출 열가소성 중공 도관의 제2 단부 부분으로서, 상기 제2 열가소성 수지는 제2 슬리브의 표면 상에 융접되거나 또는 터미널 단부 블럭 구조체 내의 열가소성 하우징의 제2 단부에 융접되는, 열가소성 중공 도관의 제2 단부 부분을 포함하고,상기 동시 압출 열가소성 중공 도관은 외부 열가소성 층에 접합 또는 융접된 내부 열가소성 층을 갖고, 동시 압출 중공 도관의 외부 열가소성 층은 동시 압출 중공 도관의 내부 열가소성 층보다 융점 또는 용융 유동 지수가 더 낮은, 교환 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 중공 도관의 단부들이 유체 유동 쪽으로 개방되어 있는, 교환 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 하우징 또는 슬리브는 유체 배관재를 포함하는, 교환 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 동시 압출 도관의 외부 층이 열 전도성 물질인, 교환 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 동시 압출 도관은 외부 층에 가열 접합된 내부 층을 구비하고, 상기 외부 층은 교환 장치 내의 열가소성 수지와 융접되는, 교환 장치.
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