KR19990082397A - 액체 냉각 트랩의 특징적인 적용 - Google Patents

액체 냉각 트랩의 특징적인 적용 Download PDF

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Abstract

화학적 증기 반응 시스템에서 응축가능한 증기를 효과적으로 능률적으로 모으는 액체 냉각 트랩(30)은 두 개의 스테이지를 포함하고 있다. 제1 스테이지는 공간에 있어서 크게되도록 의도적으로 설계된 트랩으로의 유입구 구역(80)과 그리고 매우 저성능의 열교환기를 포함하고 있서 트랩으로의 유입구 포트를 막을 수 있는 응축물과 이에의한 고형 증착을 회피하도록 한다. 제2 스테이지(112)는 보다큰 표면구역과 보다긴 유동경로에 걸쳐 효과적으로 응축물과 증착을 광범위하게 퍼지도록 고성능 열교환기로 구성되어있다. 제2 스테이지(112)는 트랩의 제1 스테이지 이후 남아있는 응축가능한 증기의 어떠한 작은 양이라도 세정하여 제거하는 고성능의 열교환기이다. 이 제2 스테이지는 트랩의 유동 컨덕턴스를 충분히 감소시키지 못하면서 유동하는 응축가능한 증기가 응축할수 있는 내면을 증가시킴으로서 트랩의 전체효율을 증가시키도록 냉각 코일 튜브(120)와 냉각 원뿔체(146) 또는 핀(154)을 포함하고 있다.

Description

액체 냉각 트랩의 특징적인 적용
가스 부산물의 형성은 반도체 및 다른 제조공정에서 흔히 발생된다. 예를들면, 반도체 제조 공정에서의 저압 화학적 증착(LPCVD) 및 알루미늄 에칭은 반응 처리 챔버에서 발생되어 이것으로부터 방출되는 유출가스에있는 염화암모니아가스(NH4Cl) 또는 염화알루미늄(AlCl3)가스와같은 화학적 반응 부산물을 발생시킨다. 이러한 염화알루미늄 또는 염화암모니아 가스는 응축화, 응고화, 또는 증착화하여, 이에의해 진공펌프에서 그리고 다른 장비에서 반응챔버로부터 멀리 유출가스를 이송시키는데 사용되는 비가열된 파이프의 내면상에서와 같은 냉각표면상에 응고 부산물을 야기시킨다. 반응처리챔버로부터 하류의 파이프, 펌프, 및 다른 장비에서의 이러한 응고부산물은 파이프를 부분적으로 또는 전체적으로 막히게하여 펌프 및 다른 장비를 손상시켜서, 진공상태를 깨지게하여 제조공정에 사용되는 배관, 펌프, 및 다른 장비를 기능적으로 손상시키거나 비작동상태가 되게 한다. 이러한 응고 부산물은 배관표면을 벗기어 떨어뜨려 반응처리챔버에 되돌려 유입되게하여 제조공정에서의 오염원이 되게한다. 반도체 칩을 형성하는데 사용되는 기판 웨이퍼상에 마스크로서 또는 보호 코팅으로서 질화실리콘의 코팅물을 증착시키기위한 저압 화학적 증착(LPCVD)공정은 질화 실리콘 증착이 발생하는 반응챔버에서 부산물로서 대량의 염화 알루미늄을 발생시키고, 그리고 화학적 반응 또는 증착 챔버의 하류의 응축된 염화 알루미늄의 응고화가 발생된다는 것이 문제이다. 염화 알루미늄 가스는 300 milli Torr에서 140。C보다 작은 온도에서 통상적으로 승화한다. 일단 염화 알루미늄 가스가 반응챔버를 떠나 냉각되면, 염화 알루미늄의 승화는 제조시스템에 사용되는 파이프 및 펌프의 내측상과 같은 비가열된 표면상에 백결정성의 재료가 형성되어 쌓아지게한다. 또한, 상기된 바와같이, 이렇게 승화된 염화알루미늄이 벗겨져 박편이되어 분리되어 반응챔버내로 되돌아 유동하면, 이것은 반응챔버에 있는 반도체 기판 웨이퍼를 오염시켜 이용가능한 반도체 장치의 생산을 못하게 하거나 감소시킨다. 그러므로, 이러한 오염이 발생하면, 제조 시스템은 중단되어서 이 백결정성 재료가 이 시스템으로부터 제거되어야 하고, 그리고 막힌 파이프와 펌프는 세정되거나 교체되어야 한다. 이러한 장애와 불량의 기판 웨이퍼 또는 반도체 칩은 반도체 제조에 있어서 비용을 증가시키고 재료손실과 생산손실을 야기한다.
염화 알루미늄 가스가 제조 시스템을 막히게 하고 오염시키는 것을 방지하기위해, 이 가스는 응축화 및 고형화가 방지되거나 제조공정에 사용되는 배관시스템으로부터 제거되어야 한다. 통상적인 LPCVD 반도체 제조공정에 있어서, 진공펌프는 소정된 반응 압력으로 챔버압력을 떨어뜨리도록 배관에 의해 화학적 반응 또는 증착 챔버의 출구에 연결된다. 이 반응 가스는 반응챔버내로 입구를 통하여 도입되고, 여기에서 이들은 이 챔버에서 반도체 기판상에 증착하는 질화 실리콘과 같은 재료를 생산하도록 진공상태에서 화학적으로 반응한다. 이 반응 부속물은 진공펌프에 의해 챔버밖으로 유출된다. 반응 챔버 출구로부터 멀리 인도하는 배관에서 가스 부속물의 승화 또는 응축을 방지하기위해 히터 재킷이 이와같은 배관주위에 감싸여져 이 부속물을 상승된 온도에서 유지하여, 이에의해 상기 배관의 내면상에 염화알루미늄과 같은 부속물 가스의 응축화 및 응고화를 방지한다. 하지만, 진공펌프 및 다른 배관요소에 있는 부속물 재료의 응축과 축적을 방지하는 것은 쉽지가 않다. 그러므로, 일부 제조 공정에 있어서, 트랩은 응축가능한 증기가 진공펌프에 도달하기전에 이들을 잡아 가스유동으로부터 이들을 제거하기위해 배관라인의 가열부위 이후에만 설치된다. 따라서, 응축가능한 증기는 배관라인 대신에 트랩에서 응축되어 모아진다. 그다음 이 트랩은 응축된 가스 부속물의 세정 및 제거가 필요할 때마다 배관라인으로부터 제거될 수 있다. 트랩의 용량이 통상의 시스템 유지보수 체크시간보다 긴 트랩세정시간을 갖기에 충분하다면, 트랩의 존재와 요구되는 트랩 세정 작업은 전체 반도체 제조 공정에 그다지 중요하지 않다.
배관라인으로부터 응축가능한 증기를 제거하는데 트랩을 이용하는 것은 당해분야에서 이미 공지되어 있다. 응축가능한 증기를 잡기위한 종래의 트랩은 트랩에있는 응축가능한 증기의 온도를 내려 응축가능한 증기를 응축시키는 원리에의해 설계되어있다. 배관라인이 고진공(매우저압)상태에서 작용하기 때문에, 트랩의 내면과 응축가능한 증기의 분자 사이의 열전달은 가스상에서 전도, 대류, 방사에의해 전달된 가열량이 상당히 작기 때문에 통상 효과적이지 못하다. 하지만 응축가능한 증기의 분자는 가스 분자와 트랩의 내면 사이에서 직접적인 충돌이 발생된다면 효과적으로 냉각될 수 있다. 따라서 여러 트랩들은 가스유동이 응축가능한 증기로하여금 트랩에있는 내면을 충돌하게 하도록 설계되어있다. 예를 들면, 미야기(Miyagi)등에 의해 발행된 미국 특허 제 5,422,081호는 응축가능한 증기가 충돌하여 응축할 수 있는 조절가능한 수의 내면을 가진 증기상 반응 장치를 위한 트랩장치를 개시하고 있다. 하지만, 미야기 등의 발명은 여러겹으로 조립된 복수의 판형상의 부재를 필요로하여 시간이 소모되고 제조와 조립에 어려움이 있다. 또한, 많은 수의 부품들은 트랩을 보수하고 조립해체하는 것을 어렵게하여 시간이 소모되게한다. 판형상부재와 흡기개구 사이의 밀접한 접근은 트랩이 조속히 막히도록 하여 트랩의 체적의 대부분을 낭비하게한다.
캘리포니아 유레커 소재의 Nor-Cal,Inc.가 트랩으로의 유입구 포트와 트랩으로의 유출구 포트 사이에서 동축 및 직각 구조를 가진 트랩을 포함하는 반도체 처리 장비용 다수의 수냉식 트랩을 개발하여 제조하여 왔다. Nor-Cal,Inc.에의해 제조된 일련의 트랩 FTWA 및 FTWA에서 배플은 트랩을 통하여 유동하는 응축가능한 증기의 응축을 위한 표면면적을 증가시키도록 원통형으로 배열된 냉각 코일 튜브들 사이에서 가스 유동방향을 바꾼다. 트랩으로의 가스유동은 트랩에 위치된 냉각 코일 튜브 또는 트랩의 내면과 충돌함으로써 90도 또는 180도 방향을 바꾼다. Nor-Cal,Inc.의 트랩 뿐만아니라 여러 다른 종래의 트랩은 트랩으로의 유입구 포트부근에서 막히게 되어, 저효율을 초래하고 빈번한 유지보수와 세정을 위한 필요를 초래한다. 결과적으로, 트랩기술의 진보된 상태에도 불구하고, 트랩이 막히게되어 세정을 요구되기 전에 트랩의 보다 큰 부분을 이용하고 파이프라인에 설치될 수 있는 보다 효과적인 트랩을 더욱 필요하게 되었다.
본 발명은 가스 스트림으로부터 응축가능한 증기를 모아서 제거하는 트랩에 관한것이며, 보다상세하게는 화학적 증착(CVD)과 에칭 챔버와 같은 화학적 반응 챔버의 하류에 있는 유동 라인으로부터 염화 암모니아(NH4Cl) 또는 다른 응축가능한 가스를 응축하여 제거하기위한 2 스테이지 액체 냉각 트랩 장치에 관한것이다.
도 1은 본 발명의 트랩의 사시도,
도 2는 반응노, 밸브, 도 1의 트랩, 진공펌프, 밸브에 반응노의 출구를, 트랩에 밸브를 그리고 진공펌프에 트랩을 연결하는 배관의 단면, 및 밸브에 반응노를 그리고 트랩에 밸브를 연결하는 배관에서의 히터의 단면을 도시하는 전형적인 반도체 제조시스템의 블록선도,
도 3은 가변 온도프로파일을 가지는 가상트랩에 대한 증착프로파일을 도시하는 도면,
도 4는 가변 기하학적 형상을 가지는 가상트랩에 대한 증착프로파일을 도시하는 도면,
도 5는 다수의 스테이지를 가지는 가상트랩에 대한 증착프로파일을 도시하는 도면,
도 6은 도 1의 트랩의 우측 정면도,
도 7은 염화암모니아(NH4Cl)에 대한 증기압 곡선의 그래프,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예의 냉각코일튜브, 원뿔체, 및 중앙콘딧을 도시하는, 도 1의 트랩의 평면도,
도 9는 도 8의 선 9-9를 따라 취해진, 도 1의 트랩의 단면도,
도 10은 메인하우징 내의 제1 스테이지의 내부영역을 도시하는, 도 5의 선 10-10을 따라 취해진, 도 1의 트랩의 단면도,
도 11은 메인하우징 내의 제2 스테이지의 내부영역을 도시하는, 도 8의 선 11-11을 따라 취해진, 도 1의 트랩의 단면도,
도 12는 도 6의 선 12-12를 따라 취해진, 도 1의 트랩의 단면도,
도 13은 트랩이 트랩의 제2 스테이지 내의 원뿔체 대신에 핀을 사용하는 경우의, 도 12와 유사하지만 도 1의 트랩의 제2 실시예를 도시하는 단면도,
도 14는 트랩의 메인하우징의 내부영역에 있어서 도 11과 유사하지만 도 10의 변경 핀 실시예를 도시하는 단면도,
도 15는 트랩의 메인하우징이 트랩의 메인하우징의 내부표면으로부터 방사상 내측으로 연장되는 핀을 포함하는 경우의, 도 12와 유사하지만 트랩의 제3 실시예를 도시하는 단면도,
도 16은 냉각코일튜브 및 원통형슬리브의 상이한 형상을 가지는, 도 11과 유사하지만, 도 14의 제 3 실시예와 유사한 핀을 포함하는 트랩의 제4 실시예를 도시하는 단면도.
따라서, 반도체 제조 공정에 사용되는 배관 세크먼트에서 유동하는 응축가능한 증기를 제거하는 트랩을 제공하는 것은 본 발명의 주 목적이다.
본 발명의 다른 목적은 고용량 및 고효율을 동시적으로 가진 트랩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 고수준의 유동 컨덕턴스(conductance)를 유지하는 트랩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 트랩의 유입구에서의 유동컨덕턴스와 대략 동일한 유출구에서의 유동컨덕턴스를 가진 트랩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 트랩이 막히게 될 때 사용되지않는 체적을 최소로 갖는 트랩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 트랩으로의 유입구 포트에서 조속히 막히지않는 트랩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 트랩의 세정이 필요되기전에 응고화된 응축물로 트랩의 체적의 대부분을 채우는 트랩을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적, 장점, 및 신규의 특징은 다음의 상세한 설명에서 부분적으로 설명될 것이고, 그리고 다음의 시험시 당해분야 종사자에게 명백하게 될 것이며 또한 본 발명의 실시에의해 알수가 있다. 이러한 목적과 장점은 첨부된 청구범위에서 특징적으로 지적된 수단에의해 그리고 조합에의해 실현되어서 달성될 수 있다.
여기에서 구체화되어 개략적으로 설명되는 바와같이, 본 발명의 목적에 따라 상기 및 다른 목적을 성취하기위해서, 트랩 장치는 앞쪽으로부터 바깥방향으로 뻗은 유입구 포트와 그리고 단부를 통하여 뻗은 개구를 가진 중공 원통형 메인 하우징과, 2개의 개방단부를 갖고서 메인 하우징의 상부에 있는 개구를 통하여 그리고 메인 하우징의 베이스 플랜지를 부분적으로 향하여 뻗게되는 중공 원통형 슬리브로 구성된다. 이 중공 슬리브는 슬리브의 하나의 개방단부가 메인하우징의 중공내부내측에 위치되고 슬리브의 다른 한 단부가 메인 하우징 외측에 위치되도록 강성적으로 위치된다. 또한, 중공 슬리브는 유입구 포트로부터 직경상으로 마주하는 하우징의 뒤측부근의 메인 하우징에서 편심되어 위치되어 있다. 액체가 유동할 수 있는 냉각 코일 튜브는 원통형 구조로 감겨져서 중공 슬리브내측에 위치된다. 냉각 코일 튜브는 메인 하우징을 통하여 뻗은 원통형 파이프에 그리고 중공 슬리브의 길이방향 중심 밑으로해서 메인 하우징의 베이스 플랜지를 통하여 뻗은 중공 중앙 도관에 부착되어 있다. 그다음 액체는 원통형 파이프를 통하여 하우징내로 유동하고, 그리고 메인 하우징의 베이스 플랜지를 통하여 뻗어있고 중공 중앙 튜브에 연결된 다른 원통형 파이프를 통하여 메인 하우징을 빠져나오기 전에 냉각 코일 튜브와 중공 중앙 튜브를 통하여 연이어 유동한다.
이 트랩은 냉각 코일 튜브와 물리적 접촉하게 되도록 위치되고 이 중공 슬리브에 있는 중앙 튜브에 부착된 하나 또는 그 이상의 관통구멍이 있는 원뿔체들을 포함하고 있다. 각각의 원뿔체는 넓은 직경의 바닥보다 메인 하우징의 상부에 근접한 작은 직경의 목부와 바람직하게 맞추어져 있어, 메인 하우징의 베이스 플랜지에 더 근접하게 된다. 변경적으로 핀(fin)이 중앙 도관의 길이를 따라 복수의 나선을 형성하도록 중앙 도관으로부터 바깥방향으로 뻗을수 있다.
트랩의 다른 실시예는 하우징에 수직으로 위치된 핀을 방사상 안쪽으로 뻗게하여 포함하고 있다. 트랩의 다른 실시예는 냉각 코일 튜브의 대부분이 원뿔 절두체로서 배열되어 메인 하우징의 베이스 플랜지를 향하여 슬리브의 외측에 위치되도록 냉각 코일 튜브를 위치결정하여 포함하고 있다.
다른 견지에서 트랩을 관찰하면, 트랩장치는 응축되어서 유입구에 축적되어 이 유입구를 막을수 있는 응고 증착물을 회피하기해 공간적으로 크게되고 저성능의 열교환기가 되도록 의도적으로 설계된 제1 스테이지와 유입구 구역을 갖춘 제2 순차 스테이지로 구성되고, 보다 큰 표면 구역과 보다 긴 유동경로에 걸쳐 효과적으로 응축물과 증착물을 퍼뜨리는 고성능의 열교환기를 성취하도록 가스의 유동경로에 있는 충돌 표면 구역으로 더 구성되어 있는 제2 스테이지가 이어진다. 제2 스테이지는 응축가능한 증기가 트랩으로의 제1 스테이지 이후에 남을 때 마다 세정하여 제거하는 고효율의 열교화기 이다. 스테이지들 사이의 부가적인 선택적인 스테이지 천이역은 트랩의 효율을 더 증가시켜 트랩의 용량을 더 증가시키도록 만들어 질 수 있다.
명세서에 포함되어 명세서의 일부분을 형성하는 첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고, 그리고 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명한다.
도 1에는, 반도체 제조공정에 있어서, 염화암모니아와 같은 부산물 응축가능한 가스를 응축 및 잡는 데에 이용하기 위한 본 발명에 따른 액체냉각트랩(30)이 도시된다. 이 트랩(30)은, 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 유동가스가 트랩(30)으로 들어가도록 배관라인 세그먼트 또는 파이프(46)(도 2 참조)에 트랩(30)을 연결하는 유입구포트 또는 입구(32) 그리고 응축가능한 증기가 유동가스로부터 제거된 후 트랩(30)에서 나오기 위해서 유입구포트(32)를 통하여 유동가스가 트랩(30)으로 들어가도록 다른 배관라인 세그먼트 또는 파이프(54)(도 2 참조)트랩을 연결하는 유출구포트 또는 출구(34)를 포함하고 있다.
도 2에는 반도체 제조공정 부분의 블록선도가 도시된다. 전형적인 반도체 제조예에 있어서, 에칭처리에 대한 레지스트 또는 유전체 필름으로서 실리콘 칩 웨이퍼(W)에 질화실리콘(Si3N4)을 증착시키는 것이 바람직하다. 그렇게 하기 위해서, 코팅된 웨이퍼(W)는 반응챔버 또는 반응노(40)에 위치되고, 그리고 SiCl2H2(디클로로실레인) 및 NH3(암모니아)와 같은 반응가스는 입구(41, 43)를 통하여 반응노(40) 내로 펌핑된다. 반응가스 SiCl2H2및 NH3는 웨이퍼(W)에 증착되는 Si3N4및 가스부산물, 즉 NH4Cl(암모니아) 및 H2(수소)를 생성하기 위해서 반응챔버(40) 내에서 함께 반응된다. 이들 NH4Cl 및 H2가스부산물(도 2에 G로 총괄하여 표시)은 반응노(40)에서 나와 챔버출구(45)를 통하여 제1 라인 세그먼트 또는 파이프(42)로 유동된다. 본 제조공정의 예에서 반응챔버(40) 내측에서 일어나는 화학반응은 다음과 같이 예시된다.
10NH3+ 3SiCl2H2→ Si3N4+ 6NH4Cl + 6H2(1)
가스부산물(G(NH4Cl 및 H2))은 상기된 바와 같이 반응노(40)에서 나와 배관라인 세그먼트(42)을 통과하여, 가스유량을 제어하기 위해서 제공될 수 있는 밸브(44)를 통과한 후 배관라인 세그먼트 또는 파이프(46)를 통하여 트랩(40)의 입구포트(32)로 유동된다.
가스부산물은 이것들이 반응노(40)를 떠난 후 온도가 감소되기 시작하며, 결과적으로 가스부산물(G) 중의 염화암모니아(NH4Cl)는 각각 배관라인 세그먼트 또는 파이프(42, 46)의 내측 표면(47, 49)을 따라서 승화, 응고, 및 증착되는 경향이 있다. 파이프(42, 46) 내의 NH4Cl의 증착이 제거되지 않고 계속된다면, 이것은 배관라인 세그먼트 또는 파이프(42, 46)를 막히게 하여 진공 컨덕턴스를 감소시키고, 배관라인 세그먼트(42, 46)에 손상을 입히고, 그리고 진공펌프(48)에 손상을 입힐 수 있다. 배관라인 세그먼트(42, 46)이 가스부산물(G) 중의 염화암모니아(NH4Cl)로 막히지 않게 하기 위해서, 절연체 또는 히터(50, 52)는 통상 배관라인 세그먼트(42, 46) 내의 온도를 높게 유지시키기 위해서 각각 배관라인 세그먼트(42, 46) 주위에 위치되어 가스부산물(G)이 트랩(30)에 도달될 때까지 냉각, 응축, 응고, 및 축적되지 않게 방지한다. 그러한 응축 및 응고는 그 밖의 배관 구성요소에서 뿐만 아니라 밸브(44)에서도 또한 일어날 수 있어, 마찬가지로 밸브를 가열 유지시키는 것이 일반적이다. 그러므로, 히터(52)의 사용으로, 가스부산물(G)이 트랩(30)으로의 유입구포트(32)에서 트랩(30)에 들어갈 때 가스부산물(G)의 온도를 제어할 수 있고, 그리고 히터(52)가 트랩(30)으로의 유입구포트(32)에 인접되기 때문에, 히터(52)는 트랩(30)으로의 유입구포트(32)의 온도를 제어하는 데에 또한 도움이 될 수 있다. 마찬가지로, 히터(도시생략)는 유출구포트(34)를 통하여 트랩(30)에서 나오는 가스부산물(G)의 온도를 제어하기 위해서 배관라인 세그먼트(54)에 위치될 수 있으며, 이러한 히터(도시생략)가 트랩(30)의 유출구포트(34)에 인접된다면, 히터(도시생략)는 트랩(30)의 유출구포트(34)의 온도를 제어하기 위해서 이용될 수 있다. 트랩(30)의 유출구포트(34)에서의 온도를 제어하는 것은, 이것이 예컨대 트랩(30)의 유출구포트(34)에서의 가스부산물(G) 중의 응축된 물질의 축적을 방지하기 위해서 요구될 때, 유용할 수 있다.
진공펌프(48) 내의 고체 염화암모니아(NH4Cl)는 진공펌프(48)를 또한 막히게 하고 마멸시킬 수 있으며, 이것은 진공펌프(48)에 대하여 심각하고 고비용적인 손상이 될 수 있다. 그러므로, 반응노(40)에 의하여 생성되는 가스부산물(G)을 냉각시키기 위해서 그리고 염화암모니아(NH4Cl)의 가스상태의 NH4Cl 또는 응축되고 응고된 입자 중 어느 하나가 진공펌프(48)에 도달되어 들어갈 수 있기 전에 염화암모니아(NH4Cl)를 응축, 응고, 및 수집하기 위해서, 트랩(30)은 반응노(40) 및 진공펌프(48) 사이에 바람직하게 위치된다. 상기 설명된 예에서의 NH4Cl과 같은 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기가 트랩(30) 내에서 냉각되어 수집될 때, 트랩(30)으로부터 진공펌프(48)로 인도하는 배관라인 세그먼트(54) 주위에 절연체 또는 히터를 가질 필요가 없다.
본 발명의 트랩(30)에 의하여 야기되는 중요한 진보는 주로 트랩(30) 내의 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 증착프로파일이 대부분 트랩(30)의 기하학적 형상 및 트랩(30)에 걸친 온도프로파일에 의하여 결정된다는 인식으로 인한 것이다. 즉, 트랩(30) 내의 가스부산물(G)로부터 응축가능한 증기를 냉각 및 수집하는 위치와 양은 트랩(30) 내에서 상당히 변화될 수 있는(이에 따라 트랩(30)의 온도프로파일을 생성시키는) 트랩(30) 내의 온도 그리고 트랩(30)의 크기 및 (기하학적인) 형상에 의하여 크게 제어된다. 사실상, 트랩(30)의 증착프로파일은 이제부터 보다 상세하게 논의되는 바와 같이, 트랩(30)의 온도프로파일이나 트랩(30)의 기하학적 형상 중 어느 하나, 또는 양자 모두를 변화시키므로서 변화될 수 있다.
가스부산물 중의 응축가능한 증기가 트랩(30) 내측에 응축되도록 야기시키기 위해서, 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 트랩(30)은 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 온도를 낮추어야만 한다. 그러므로, 트랩(30)은 열이 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기로부터 트랩(30)으로 전달되는 열교환기로서 작용한다. 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 온도를 감소시키는 것은 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 냉각 및 수집을 감소시킨다. 그러므로, 트랩(30)의 온도프로파일 및 트랩(30) 내에서 유동하는 가스부산물(G)의 온도를 제어하는 것은 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 냉각 및 수집에 상당한 영향력을 가진다. 예컨대 도 3a에 있어서, 트랩의 유입구에서의 가상트랩의 온도가 TEMP1이고, 트랩의 유출구에서의 트랩의 온도가 TEMP2이고, 그리고 온도가 온도프로파일 TPA에 의하여 도시된 바와 같이 TEMP1으로부터 TEMP2로 트랩에 걸쳐 선형적으로 떨어진다면, 트랩 내의 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 냉각 및 수집은 시간 t1에서 증착프로파일 DP1을 야기시킨다. TEMP1은 예컨대 섭씨 100도(100℃)이고 TEMP2는 예컨대 섭씨 40도(40℃)일 수 있다. 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 계속적인 냉각 및 수집은 시간 t2에서 증착프로파일 DP2를, 시간 t3에서 증착프로파일 DP3를, 그리고 시간 t4에서 증착프로파일 DP4를 야기시킨다. 트랩에 걸친 온도프로파일 DPA가 주어진 경우에는, 트랩에서의 초기온도 급강하가 트랩으로의 유입구에서 발생되기 때문에, 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 대부분의 증착은 트랩으로의 유입구에서 냉각 및 수집된다. 그렇지만, 트랩에 걸친 온도프로파일을 변화시키는 것은 도 3b 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 각각 시간 t1, t2, t3, 및 t4에 대한 결과적인 증착곡선 DP1, DP2, DP3, 및 DP4를 변화시킨다. 도 3d에서의 TEMP3는 예컨대 섭씨 150도(150℃)의 값을 가질 수 있다. 그러므로, 트랩의 온도프로파일을 제어하므로서 트랩에 대한 최적의 또는 최적에 가까운 증착프로파일을 만들어 낼 수 있다.
트랩의 온도프로파일을 제어하는 것에 더하여, 트랩 내의 증착량 및 증착프로파일을 제어하도록 트랩의 기하학적 형상을 제어할 수 있다. 예컨대 도 4a에는, 가상트랩의 단면적이 선 CSA로 도시된다. 본 예에서, 트랩의 단면적 CSA는 트랩으로의 유입구와 트랩의 유출구 사이의 모든 지점에서 일정하다. 트랩이 도 3a에서의 TPA와 동일한 온도프로파일을 가진다고 가정하면, 응축되어 축적된 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기가 유입구에서의 총 단면적이 덮이는 지점까지 축적될 때 트랩으로의 유입구는 시간 t3에서 막히게 된다. 트랩이 트랩의 단면적이 트랩(30)으로의 유입구와 트랩의 유출구 사이에서 증가되는, 도 4b에 도시된 단면적 CSA을 가지더라도, 트랩은 시간 t3에서 여전히 막히게 된다. 그렇지만, 트랩이 도 4c에 대응하는 트랩으로의 유입구와 트랩의 유출구 사이에서 단면적 CSA를 가진다면, 트랩은 트랩으로의 유입구 근처의 트랩의 증가된 단면적으로 인하여 시간 t4까지는 막히지 않게 된다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 트랩이 도 3b에 대응하는 온도프로파일 TPB를 가진다면, 트랩에서의 응축된 증기의 증착은 더욱 개선될 수 있다. 본 예에서 가상트랩이 시간 t4에서 여전히 막히게 되기는 하지만, 트랩의 보다 큰 이용가능한 체적은 트랩이 막히기 전에 충전되어, 도 4a 내지 도 4c와 관련하여 상기 설명된 트랩에 비하여 트랩의 용량을 증가시킨다. 그렇지만, 도 4a 내지 도 4d에 나타낸 트랩의 상당부분이 사용되지 않아 버려진 채로 남아있어 트랩의 용량을 감소시킨다는 것이 명백하다. 트랩이 막히기 전에 트랩의 유동 컨덕턴스 및 트랩을 통한 가스부산물(G)의 유동은 필연적으로 상당히 감소되기 때문에, 막히는 점까지 트랩을 작동시킬 것이 항상 요구되는 것은 아니라는 점이 중요하다. 다시 말해서, 트랩의 유동 컨덕턴스가 응축된 물질의 축적에 의하여 소정 레벨까지 감소될 때 트랩을 세정하는 것이 바람직하다. 트랩이 막히게 되기 전에 트랩의 감소된 유동 컨덕턴스의 소정 레벨은 필연적으로 그리고 언제나 발생된다. 유동 컨덕턴스는 시간당 체적으로 측정되고 예컨대 초당 리터로 측정될 수 있다.
충분한 시간이 주어진 경우에, 트랩이 얼마나 큰지 또는 트랩의 외경이 얼마나 큰지에 관계없이, 모든 트랩이 마침내는 막히게 되기 때문에, 트랩의 기하학적 형상을 따라서 트랩의 온도프로파일을 제어하는 것이 트랩에서의 최적의 또는 최적에 가까운 증착프로파일을 야기시킨다는 인식은, 트랩의 주어진 외경의 세트에 대하여 트랩의 용량을 최대화시킴에 따라, 이용가능한 체적을 최대화시키도록 트랩이 설계될 수 있게 한다. 즉, 특정한 트랩형상을 만들어 내는 것과 관련하여 트랩의 온도프로파일을 제어하는 것은, 높은 유동 컨덕턴스를 유지할 수 있는 트랩의 구조를 허용하여, 트랩의 이용가능한 체적 및 용량을 최대화시키고 트랩의 이용되지 않는 부분을 최소화시킨다. 예컨대, 가상적으로 도 3b에서의 온도프로파일 TPB과 동일한 온도프로파일이 주어진 경우에, 도 5a에 도시된 특징을 가지는 트랩이 얻어질 수 있다. 도 4d에 도시된 특징을 가지는 트랩과 유사하지만, 도 5a에 도시된 특징을 가지는 트랩은, 본질적으로 트랩으로의 유입구에서 가지는 것보다 상당히 작은 단면적의 트랩으로의 유출구를 가지는 2개의 스테이지 트랩이다. 응축가능한 증기의 증착이 트랩의 유입구포트에 비하여 트랩의 유출구 쪽으로 크게 감소되기 때문에, 트랩은 시간 t4까지 여전히 막히지 않는다. 그리고, 트랩의 이용가능한 체적 중에서 상당히 작은 체적만이 버려져, 트랩의 용량을 증가시키는 한편 트랩에 대한 보다 적은 재료를 요구하고 트랩의 외부크기를 감소시키며, 트랩의 무게 및 비용을 상당히 절감시킬 수 있다. 도 5a에 도시된 특징을 가지는 트랩은 버려진 이용가능한 체적 및 용량을 여전히 포함하고 있으나, 이것은 도 5b에 도시된 바와 같이 제1 스테이지와 제2 스테이지 사이에서 제3 스테이지 또는 천이역을 야기시키므로서 더욱 감소될 수 있다. 도 5b에 도시된 특징을 가지는 트랩은, 트랩이 막히게 될 때, 또는 트랩의 유동 컨덕턴스가 소정 레벨로 감소될 때 트랩 내의 이용가능한 체적 중의 비교적 작은 체적만이 사용되지 않도록, 그리고 트랩의 단면적 CSA가 시간에 걸쳐서 증착곡선의 빌드업(build-up)에 가깝게 접근하도록, 트랩 내의 증착프로파일에 맞추어 만들어진다. 더욱이, 도 5b에 도시된 특징을 가지는 트랩이 막히게 될 때, 막힘은 천이역 그리고 트랩의 제2 스테이지에 있어서 트랩으로의 유입구 근처에서 동시에 일어난다.
그러므로, 이들 예로 도시된 바와 같이, 트랩 내의 어떠한 지점에서도 트랩의 단면적이 최적화되어, 트랩이 트랩 내의 모든 지점에서 동시에 막히게 되도록 그리고 트랩이 막히게 될 때 또는 트랩의 유동 컨덕턴스가 소정 레벨로 감소될 때 트랩의 이용가능한 체적이 모두 사용되도록, 다수의(무수한) 스테이지 또는 천이역을 가지는 트랩을 설계하는 것이 이론적으로 가능하다. 특정 트랩에 있어서 어디에서 하나의 스테이지 또는 영역이 끝나고 또 하나의 스테이지 또는 영역이 시작되는 지를 결정하는 것은 극히 어렵다. 그렇지만, 트랩에 걸쳐 높은 유동 컨덕턴스를 유지하고, 트랩의 용량을 최대화하고, 그리고 트랩의 버려진 체적을 최소화하는 소정의 온도프로파일 및 소정의 기하학적 형상을 가지는 트랩을 설계하는 개념은 고정된 개수의 스테이지 또는 영역에 의존되지 않는다는 것을 인식하는 것은 중요하다. 사실상, 본 발명의 트랩(30)은 상기 설명된 소정의 장점을 획득하도록 트랩(30)의 유입구포트(32)와 트랩(30)의 유출구포트(34) 사이에서 변하는 단면적 및 온도프로파일을 가지는 단일 스테이지 또는 영역으로 구성되는 것을 고려할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위는 고정된 개수 및 용이하게 식별가능한 개수의 스테이지 또는 영역을 가지는 트랩으로 제한되지 않고, 그리고 트랩의 온도 및/또는 기하학적 형상이 높은 유동 컨덕턴스, 고효율, 고용량, 최소 비사용체적의 이익을 성취하기 위해서 각각 특히 변경되고 설계되는 트랩, 또한 트랩(30)의 유출구포트(34)에서의 트랩(30)의 유동 컨덕턴스가 트랩(30)으로의 유입구포트(32)에서 트랩의 유동 컨덕턴스와 동일한 트랩을 포함한다. 보다 상세하게는, 본 발명의 트랩(30)은 바람직하게 적어도 유입구포트(32)에서의 트랩(30)의 유동 컨덕턴스 만큼의 트랩(30)의 유출구포트(34)에서의 유동 컨덕턴스를 가진다.
본 발명의 트랩(30)의 중요한 특징은 트랩(30)이 높은 유동 컨덕턴스를 유지하는 한편 트랩(30)의 이용가능한 체적을 최대화하고 트랩(30)의 이용가능하지 않은 체적을 최소화하도록 트랩(30)의 기하학적 형상과 함께 트랩(30)의 온도프로파일을 이용하는 것이다. 더욱이, 트랩(30)으로의 유입구포트(32)와 트랩(30)의 유출구포트(34) 사이에 단지 작은 압력강하만이 있기 때문에, 유입구포트(32)에서의 트랩(30)의 유동 컨덕턴스는 유출구포트(34)에서의 트랩(30)의 유동 컨덕턴스와 동일하다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 트랩(30)으로의 유입구포트(32)의 면적은 응축 및 그에 따른 고체 증착이 트랩(30)으로의 유입구포트(32)에 축적되어 막히는 것을 방지하기 위해서 고의로 매우 저성능의 열교환기가 되도록 설계되며, 이것은 트랩(30)의 용량 및 사용가능한 체적을 감소시킨다. 포트(32)를 통한 가스부산물(G)의 도입은 응축을 전개시키도록 더욱 더 양호한 열교환 효율의 연속하는 스테이지로 이어지고, 트랩(30)의 용량을 최대화시키기 위해서 트랩(30)에서의 유동통로를 따라서 대부분의 표면적 상에서 증착된다. 상기 설명된 예에서는 무해한 기체상태의 수소(H2)인 가스부산물(G)의 비응축 부분이, 유출구포트(34)를 통하여 트랩(30)을 나가, 진공펌프(48)로 유동되어 배출포트(55)를 통하여 배출되는 배관라인 세그먼트(54)으로 들어가기 전에, 소량의 응축가능한 가스가 가스(G) 내에 여전히 남아있더라도, 트랩(30)의 마지막 스테이지는 세정 및 제거되기에 매우 효율적인 열교환기이다. 트랩(30)과 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기 분자 사이의 열교환량은 트랩(30)의 내부표면에서 분자의 물리적인 충격 또는 충돌에 크게 의존되기 때문에, 특히 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 유동하는 가스부산물(G)이 직접적으로 충돌 또는 격돌할 수 있는 트랩(30)의 제2 스테이지에서의 내부표면의 개수와 비교해 볼 때, 유동하는 가스부산물(G)이 직접적으로 충돌 또는 격돌할 수 있는 트랩(30)의 제1 스테이지에서의 내부표면의 개수는 제한된다.
통상, 스테이지 사이에서 더 많은 스테이지 및 천이역이 이용될 수 있더라도, 본 발명의 트랩(30)은 적어도 2개의 스테이지로 바람직하게 구성된다. 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 대부분(대략 95%)은, 큰 트랩핑 체적이 입구포트(32)로부터 제공되는, 트랩(30)의 제1 또는 주 이동 스테이지에서 수집되거나 잡혀진다. 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 가스부산물(G) 중의 나머지(대략 5%) 응축가능한 증기는, 고효율 냉각기구가 열교환을 최대화하여 가스부산물(G)의 응축가능한 성분을 냉각 및 응축시키기 위해 트랩(30)과의 분자 접촉을 최대화시키도록 제공되는, 트랩(30)의 제2 또는 세정 스테이지에서 수집되거나 잡혀진다. 트랩(30) 내에서 냉점과 마주치면 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기는 응축되기 때문에, 트랩(30)이 트랩(30)으로의 유입구포트(32) 내에서 또는 그 근처에서 막히지 않도록 그리고 트랩(30)으로의 유입구포트(32) 근처에서 트랩(30)의 트랩핑 체적이 최대화되도록 트랩(30)의 제1 스테이지에서의 가스부산물(G)의 냉각은 최소화된다. 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 이러한 이점은 트랩(30)의 제2 스테이지의 체적(V2)보다 큰 트랩(30)의 제1 스테이지의 체적(V1)을 유지하므로서 또한 2개의 스테이지의 불안정한 배열에 의하여 성취될 수 있다. 예컨대, V1과 V2사이의 관계는,
(2)
이고, 바람직하게는,
(3)
이다. 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 트랩(30)의 용량은 트랩(30)의 제1 스테이지에 주로 의존되는 한편 트랩(30)의 유동 컨덕턴스는 트랩(30)의 제2 스테이지에 주로 의존된다.
도 1 및 도 6에서, 본 발명의 트랩(30)은 통상 원통형이고 밀봉된 메인하우징(60)을 가진다. 원통형상 유입구포트 연장부(62)는 메인하우징(60)의 외측표면(63)으로부터 방사상 외측으로 연장되고, 그리고 도 2에 도시된 배관라인 세그먼트(46) 또는 파이프(46)와 같은 배관라인 세그먼트에 트랩(30)의 유입구포트(32)를 연결하기 위해서 이용되는 유입구포트 플랜지(66)에 의하여 종결된다. 원통형상 유출구포트 연장부(64)는 메인하우징(60)의 상표면(65)으로부터 축선방향 위쪽으로 연장되고, 그리고 도 2에 도시된 배관라인 세그먼트 또는 파이프(54)와 같은 배관라인 세그먼트에 트랩(30)의 유출구포트(34)를 연결하기 위해서 이용되는 유출구포트 플랜지(68)에 의하여 종결된다. 진공밀봉으로 배관라인 세그먼트에 트랩(30)을 연결하기 위해서 플랜지(66, 68)를 사용하는 것은 종래 기술의 당업자에게 공지되어 있으며 본 발명의 트랩(30)의 구조 및 작동을 설명하기 위해서 더 이상 논의될 필요가 없다. 상기 설명된 바와 같이, 가스부산물(G)이 트랩(30)으로의 유입구포트(32)에서 트랩(30)으로 들어감에 따라 히터(52)는 가스부산물(G)의 온도를 제어하기 위해서 이용될 수 있고, 그리고 히터(52)가 트랩(30)으로의 유입구포트(32)에 인접되기 때문에, 히터(52)는 트랩(30)으로의 유입구포트(32)의 온도를 제어하는데 도움이 되기 위해서 또한 이용될 수 있다. 마찬가지로, 히터(도시생략)는 유출구포트(34)를 통하여 트랩(30)에서 나가는 가스부산물(G)의 온도를 제어하도록 배관라인 세그먼트(54)에 위치될 수 있고, 그리고 그러한 히터(도시생략)가 트랩(30)의 유출구포트(34)에 인접되면, 히터(도시생략)는 트랩(30)의 유출구포트(34)의 온도를 제어하기 위해서 이용될 수 있다. 유입구포트 연장부(62), 유출구포트 연장부(64), 플랜지(66), 또는 플랜지(68)를 둘러싸 덮는 또 다른 선택적인 히터(도시생략)는 트랩(30)에 걸친 소정의 온도프로파일을 획득하는데 도움이 되도록 유입구포트(32), 유출구포트(34), 유입구포트 연장부(62), 유출구포트 연장부(64), 플랜지(66), 또는 플랜지(68)에서 트랩(30)의 온도 및 트랩(30)을 출입하는 가스부산물(G)의 온도를 제어하기 위해서 또한 이용될 수 있다.
아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 메인하우징(60)의 베이스는 메인하우징(60)보다 큰 직경의 플랜지(70)를 가지며, 또한 제거가능한 베이스판(74)이 트랩(30)의 이용시 메인하우징(60)에 볼트(73) 또는 다른 적절한 파스너로 단단히 부착될 수 있도록 그리고 베이스판(74)이 트랩(30)의 내부영역의 세정 및 보수를 위하여 메인하우징(60)으로부터 제거될 수 있도록 나사가공된 또는 나사가공되지 않은 구멍(72)을 포함한다. O-링(75)은 베이스 플랜지(70)와 베이스판(74) 사이에 위치되어 베이스판(74)이 베이스 플랜지(70)에 부착될 때 단단한 밀봉을 제공한다. 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 베이스 플랜지(70) 및 베이스판(74)을 통하여 트랩(30)의 바닥으로부터 아래쪽으로 뻗어있는 원통형 튜브(76, 78)는 트랩(30)의 내부를 통하여 냉각수와 같은 유동유체를 순환시키기 위한 콘딧이다.
본 발명의 트랩(30)의 구조 및 작동을 제한하기 위한 것이 아니라 설명하기 위하여, 메인하우징(60)은 대략 6인치의 외경, 대략 85/1000인치의 벽두께, 대략 7 내지 8인치의 내부높이(61)(도 9 참조)를 가진다. 유입구포트 연장부(62) 및 유출구포트 연장부(64)는 대략 4인치의 외경, 대략 3,87인치의 내경, 대략 65/1000인치의 벽두께를 가진다.
상기 설명된 바와 같이, 유입구포트(32) 또는 유입구포트 연장부(62)가 너무 일찍 막히도록 트랩(30)으로 들어가는 가스부산물(G)이 트랩(30) 내에서 응축, 응고, 또는 축적되지 않는다는 것은 중요하다. 그러므로, 트랩(30)의 체적의 최적량이 세정이 필요하기 전에 또는 트랩(30)이 막히기 전에 충전되도록 트랩(30) 내에 재료의 응축물을 골고루 퍼뜨리는 것은 중요하다. 다시 말해서, 트랩(30)이 유입구포트(32)에서 또는 유입구포트 연장부(62) 내에서 너무 빨리 막히지 않도록 트랩(30)에서의 증착프로파일을 야기시키는 것은 중요하다.
트랩(30)에서의 응축가능한 가스부산물(G)의 응축처리은 상변화처리이다. 가스부산물(G)이 트랩(30)을 통하여 유동됨에 따라 응축가능한 가스부산물(G)은 증기 또는 기체상태로부터 고체상태로 변화된다. 증기상태에서의 분압이 평형 증기압보다 클 때, 가스흐름 중의 응축가능한 증기 또는 가스는 응축된다. 보다 상세하게는, 가스에 대한 분압은 혼합가스 중 각각의 성분에 대한 압력이다. 그러므로, 염화암모니아(NH4Cl) 및 수소(H2)로 구성되는 가스부산물(G)을 가지는 가스에 대하여, 2개의 성분, 즉 염화암모니아(NH4Cl) 및 수소(H2) 각각은 분압을 가진다. 2개의 성분, 즉 염화암모니아(NH4Cl) 및 수소(H2)의 혼합으로 구성되는 가스의 총압력은 2개의 성분, 특 염화암모니아(NH4Cl) 및 수소(H2)의 분압의 합과 같다. 염화암모니아(NH4Cl)에 대한 평형증기압은 염화암모니아(NH4Cl)의 증기로부터 고체로의 응축률이 염화암모니아(NH4Cl)의 고체로부터 증기로의 증발 또는 기화율과 같은 압력이다.
응축가능한 증기의 증기압은 응축가능한 증기의 온도에 관계되며, 이것은 앙트와네(Antoine) 방정식에 의하여 표현될 수 있다.
(4)
여기에서, A, B, 및 C는 상수이고, p는 Torr로 측정된 증기압이고, T는 섭씨로 측정된 온도이다. 염화암모니아(NH4Cl)에 대하여, A는 대략 23.4이고, B는 대략 10,613이고, C는 대략 292.3이다. 염화암모니아(NH4Cl)에 대한 증기압곡선(80)은 도 7에 도시된다.
방정식 (1)에 관하여 상기 설명된 예에 연속하여, 트랩(30)으로 들어가는 가스부산물(G)의 온도가 130℃이고 염화암모니아(NH4Cl)의 분압이 100milliTorr라고 가정하면, 대략 20℃의 초기온도 감소는 트랩(30)을 통하여 유동하는 가스부산물(G) 중의 염화암모니아(NH4Cl)의 대략 50%의 응축을 초래한다. 대략 44℃의 초기온도 감소는 트랩(30)을 통하여 유동하는 가스부산물(G) 중의 염화암모니아(NH4Cl)의 대략 90%의 응축을 초래한다. 대략 50℃의 제2 온도 감소는 트랩(30)을 통하여 유동하는 가스부산물(G) 중의 염화암모니아(NH4Cl)의 나머지 10% 중에서 대략 90%의 응축을 초래한다. 그러므로, 상기 설명된 바와 같이, 트랩(30)에 걸쳐 온도프로파일을 제어하는 것은 트랩(30)의 증착프로파일을 상당히 제어한다.
그러므로, 적당한 크기로 높은 트랩 용량을 가지고, 이용가능한 트랩 체적의 대부분을 이용하고, 트랩(30)으로의 유입구포트(32)에서 또는 유입구포트 연장부(62) 내에서 너무 일찍 막히지 않는 트랩(30)을 얻기 위해서, 유입구포트(32)를 통하여 트랩(30)으로 들어가는 가스부산물(G)의 냉각은 이들 위치에서 가스부산물(G)의 응축이 최소화되도록 제한된다. 다시 말해서, 트랩(30)의 온도프로파일은 트랩(30)이 유입구포트(32)에서 너무 일찍 막히지 않도록 된다. 그러므로, 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 메인하우징(60)(도 8 및 도 9 참조) 내에서의 유입구포트(32), 유입구포트 연장부(62), 및 제1 스테이지 체적(82)으로 이루어지는 트랩(30)의 제1 스테이지는 트랩(30)의 너무 이른 막힘을 방지하기 위해서 저성능의 열교환기로서 작용한다. 제1 스테이지 체적(82)은 중공 원통형 슬리브(94) 내에 포함된 체적 부분을 제외하고, 트랩(30)의 메인하우징(60)의 모든 내부체적을 포함한다. 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 트랩(30)의 제1 스테이지는 트랩(30)의 요구되는 세정 사이의 시간을 연장시키도록 비교적 큰 제1 스테이지 체적(82)을 포함한다.
상기 설명된 바와 같이, 분자밀도가 매우 낮은 진공에서 전도, 대류, 복사에 의하여 전달되는 열의 양은 상당히 적기 때문에, 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 분자와 트랩(30)의 내부표면 사이의 열전달은 통상 효과적이지 않다. 그렇지만, 충돌이 기체분자로부터 트랩(30)으로 열의 형태로 에너지를 전달하기 때문에 직접적인 충돌이 기체분자와 트랩(30)의 내부표면 사이에 일어난다면, 염화암모니아(NH4Cl)와 같은 응축가능한 증기의 기체분자는 효과적으로 냉각될 수 있다. 그러므로, 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명에 따라서 입구영역에서의 응축가능한 가스부산물의 초기의 많은 양의 증착을 피하기 위해서 트랩(30)의 제1 스테이지가 효과적인 열교환기로서 작용되지 않는 것이 바람직하기 때문에, 트랩(30)의 제1 스테이지의 내부표면과 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 기체분자의 직접적인 충돌을 제한하므로서 트랩(30)과 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기 사이의 열전달량을 제한할 필요가 있다. 그러므로, 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 유동하는 가스부산물(G)이 직접적으로 충돌 또는 격돌할 수 있는 트랩(30)의 제1 스테이지에서의 내부표면의 개수는, 특히 유동하는 가스부산물(G)이 직접적으로 충돌 또는 격돌할 수 있는 트랩(30)의 제2 스테이지에서의 내부표면의 개수와 비교하여, 트랩(30)의 제1 스테이지에서 제한된다.
도 8 내지 도 10에서, 트랩(30)의 제1 스테이지는 보다 상세하게 설명된다. 가스부산물(G)은 유동 화살표(95)로 도시된 바와 같이 유입구포트(32)를 통하여 트랩(30)으로 유동되어, 유입구포트 연장부(62)의 내부표면(90) 또는 유입구포트(32) 상에 충돌 또는 격돌되지 않는다. 대신에, 가스부산물(G)은 제1 스테이지 체적(82) 내로 그리고 통상 원통형 슬리브(94)의 외부표면(92) 주위에서 유동된다. 원활하게 만곡된 표면(92) 주위에서 이러한 방식으로 유동이 통상 연속되기 때문에, 이 유동은 완전한 층류이며 표면 상의 분자충돌은 최소화된다. 그럼에도 불구하고, 원통형 슬리브(94)에 의하여 야기된 제1 스테이지 체적(82) 내에서의 유동방향의 변화 때문에, 상당한, 그러나 과도하지 않은 분자충돌이 일어나며, 따라서 들어오는 가스(G)를 향한 원통형 슬리브(94)의 외부표면(92)의 부분에서의 열교환 및 증착은 입구포트(32)로부터 유동한다. 원통형 슬리브(94)의 외부표면(92) 상의 가스부산물(G) 중의 응축가능 증기 분자의 충돌은 응축가능한 증기가 원통형 슬리브(94)의 외부표면(92) 상에 응축, 응고, 및 축적되도록 야기시킨다. 가스부산물(G)에서의 응축가능한 증기의 응축물의 일부가 트랩(30)의 제1 스테이지에 걸쳐서 분포되도록 원통형 슬리브(94)의 곡률은 가스부산물(G)의 일부가 메인하우징(60)의 후방 내부표면(96)을 향하여 또한 유동되게 한다. 메인하우징(60)의 후방 내부표면(96)을 향하여 유동하는 가스부산물(G)의 양이 원통형 슬리브(94)의 외부표면(2) 상에 직접적으로 충동하는 가스부산물(G)의 양보다 적기 때문에, 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 대부분의 응축 및 증착은 원통형 슬리브(94)와 유입구포트 연장부(62) 사이에서 야기된다. 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 원통형 슬리브(94)는 제1 스테이지 체적(82) 내에서 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기가, 열교환을 가속시킴에 따라 제1 스테이지 메인체적(82)의 입구영역에서 바람직하지 않은 레벨로 증착을 가속시켜 너무 일찍 입구를 막히게 하는, 트랩(30)의 제2 스테이지에서의 냉각표면, 특히 냉각코일튜브(12)의 표면에서의 충돌을 또한 방지한다. 또한, 바람직하게 금속인, 몸체(60) 및 슬리브(94)의 벽 뿐만 아니라 증착물질 그 자체는 열을 전도시키지 않기 때문에, 그러한 증착 빌드업에 충돌하는 분자로부터의 열전달은 보다 덜 효율적으로 된다. 그러므로, 유입구포트(32) 근처에서의 표면(92, 106) 상의 그러한 빌드업으로, 증착은, 상기된 바와 같이 원활하게 만곡된 표면(92, 106)에 의하여 분포가 강화되는 입구포트(32)로부터 보다 이격되는 표면(92 및 106 또는 96)의 부분에 어느 정도 당연히 분포된다.
원통형 슬리브(94)가 원통형 메인하우징(60)에 편심되도록 그리고 원통형 슬리브(94)의 외부표면(92)과 유입구포트 연장부(62)의 내부단부(102)와의 사이의 거리가 최대화하도록 원통형 슬리브(94)의 세로축선(98)은 원통형 메인하우징(60)의 세로축선(100)으로부터 바람직하게 오프셋된다. 원통형 슬리브(94) 주위에서 메인하우징(60)의 이러한 편심구성은 트랩(30)의 제1 스테이지 체적(82)을 최대화하며, 이것은 트랩(30)이 막히게 되어 세정을 필요로 하기 전에 또는 트랩(30)을 통한 트랩의 유동 컨덕턴스가 세정을 필요로 하기에 충분히 감소되기 전에 원통형 슬리브(94)와 유입구포트 연장부(62) 사이에서 야기되는 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 증착 축적의 양을 최대화한다. 원통형 슬리브(94)의 세로 중심축선(98)은 원통형 메인하우징(60)의 세로 중심축선(100)과 동심으로 정렬될 수 있지만, 메인하우징(60)의 내부직경이 확대되지 않는다면, 그러한 동심적인 정렬은 원통형 슬리브(94)의 외부표면(92)과 유입구포트 연장부(62) 사이의 거리를 감소시킨다. 물론, 제1 스테이지 체적(82)을 증가시키기 위해서 전체 메인하우징 구조체(60)의 확대를 선택할 수 있지만, 그러나 본 발명에 따라 이용가능한 증착체적을 최대화시키고 전체 크기치수를 증가시킬 필요없이 트랩(30)에서의 증착프로파일을 최적화시키는 것이 보다 경제적이다. 메인하우징(60)의 내경을 증가시키는 것은 메인하우징에 대하여 요구되는 물질의 양을 증가시킴에 따라 트랩(30)의 크기 및 무게뿐만 아니라 비용을 증가시키며, 따라서 트랩(30)을 제조, 조립, 선적, 장착, 및 세정하는 것을 보다 어렵고 고비용으로 만든다. 원통형 슬리브(94)의 세로 중심축선(98)이 원통형 메인하우징(60)의 세로 중심축선(100)에 편심되도록 메인하우징(60) 내에서 원통형 슬리브(94)를 오프셋시키므로서, 트랩(30)의 용량 및 이용가능한 체적은 메인하우징(60)의 주어진 내경에 대하여 증가된다. 그러므로, 메인하우징(60) 내에서 원통형 슬리브(94)를 오프셋시키는 것은 트랩(30) 내에서의 응축된 물질의 증착프로파일을 최적화하는 데에 또한 도움이 된다.
본 발명의 트랩(30)의 구조 및 작동을 제한하기 위한 것이 아니라 설명하기 위하여, 원통형 슬리브(94)는 대략 4인치의 외경, 대략 65/1000인치의 벽두께, 대략 8.5인치의 길이(103)를 가질 수 있으며, 여기에서 이 길이(103) 중 대략 6.5인치는 메인하우징(60)의 내부체적(82) 내에 있다. 원통형 슬리브(94)의 세로 중심축선(98)은 메인하우징(60)의 세로 중심축선(100)으로부터 대략 3/4인치만큼 오프셋될 수 있다.
도 9에서, 원통형 슬리브(94)는 원통형 슬리브(94)의 일부일 수 있는 유출구포트 연장부(64)를 포함하거나, 또는 도 9에 도시된 바와 같이, 하우징(60)의 상판(63) 내의 개구부(101) 주위에서 칼라(105)에 안착되는 별개의 슬리브일 수 있다. 이러한 배열은 메인하우징(60)의 일부인 유입구포트 연장부(62)와 대조된다. 원통형 슬리브(94)는 오로지 메인하우징(60)의 하단부에 장착된 베이스판(74)의 내부표면(104)을 향하여 메인하우징(60)의 상판(63) 내의 개구부 또는 구멍(101)으로부터 메인하우징(60) 내에서 아래쪽으로 연장된다. 원통형 슬리브(94)는 용접으로 메인하우징(60)에 단단히 부착되고 밀봉은 개구부(101)에서 원통형 슬리브(94)와 메인하우징(60) 사이에 이루어진다.
원통형 슬리브(94)는 메인하우징(60)의 내부 측면(106)에 접촉되지 않고 그리고 메인하우징(60)의 베이스판(74)의 내부표면(104)에 대하여 모든방향으로 연장되지 않는다. 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 슬리브(94)의 외부표면(92) 상에 또는 하우징(60)의 내부표면(106 또는 96) 상에 증착되지 않은 가스부산물(G)이 원통형 슬리브(94)의 내부(112)로 유동될 수 있도록, 메인하우징(60)의 베이스판(74)의 내부표면(104)과 원통형 슬리브(94)의 단부(110)와의 사이에는 갭의 간격(108)이 남아있다. 이 갭의 간격(108)은 예컨대 대략 1인치일 수 있다.
원통형 슬리브(94)의 내부 체적은 트랩(30)의 제2 또는 세정 스테이지로 구성된다. 트랩(30)을 통하여 유동하는 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 대부분이 트랩(30)의 제1 또는 주 스테이지에서 응축되지만, 나머지 가스부산물이 유출구포트(34)를 통하여 트랩(30)에서 나가기 전에 제2 또는 세정 스테이지에서 제거될 필요가 있는 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 상당한 양, 즉 대략 5% 정도는 여전히 남아있다. 그러므로, 가스부산물(G) 중에 남아있는 응축가능한 증기를 응축시키기 위해서, 보다 효율적이고 전체적인 열교환이 요구된다. 예컨대, 찬 표면과의 분자충돌을 최대화시키기 위해서 큰 온도급강하 및 보다 넓은 표면형상이 트랩(30)의 제1 스테이지에서는 필요하거나 요구되지 않지만 트랩(30)의 제2 스테이지에서는 필요하다. 그러므로, 트랩(30)의 제1 스테이지에 비하여, 트랩(30)의 제2 스테이지에서는, 가스부산물(G)이 트랩(30)의 제1 스테이지를 통과한 후에 가스부산물(G)의 온도가 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기를 응축시키므로서 트랩(30)의 효율을 증가시키기 위해서 충분히 감소된다. 트랩(30)의 제1 스테이지에 비하여, 트랩(30)의 제2 스테이지는, 트랩(30)과 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기 사이에서 열전달을 제공하기 위해서 매우 효율좋은 열교환기로서 또한 작용한다. 그렇지만, 상기 설명된 바와 같이, 트랩(30)이 매우 높은 진공상태(매우 낮은 압력)에서 통상 작동되기 때문에, 트랩(30)의 제2 스테이지에서의 냉각표면과 응축가능한 증기의 분자 사이의 열전달은 트랩(30)에서의 냉각표면과 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 분자의 물리적인 충돌에 의하여 주로 야기되는 한편, 증기 또는 기체상태에서의 전도, 대류, 및 복사에 의한 열전달은 무시된다. 트랩(30)에서의 내부 표면과 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 분자의 충돌은 열(에너지)이 분자로부터 트랩(30)으로 전달되도록 한다. 더욱이, 또한 아래에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 트랩(30)에 걸친 높은 유동 컨덕턴스를 유지하는 것이 바람직하다. 그러므로, 트랩(30)의 제2 스테이지는 트랩(30)의 유동 컨덕턴스를 상당히 감소시킬 수 없다. 더욱이, 유출구포트(34)에서의 트랩(30)의 유동 컨덕턴스가 유입구포트(32)에서의 트랩(30)의 유동 컨덕턴스와 같아지도록 트랩(30)의 유입구포트(32)와 트랩(30)의 유출구포트(34) 사이에서 매우 낮은 압력강하를 가지는 것은 바람직하다. 트랩(30)을 통한 체적 유량은 매우 높고, 트랩(30)을 통한 질량유량은 매우 낮기 때문에, 트랩의 제2 스테이지는 응축가능한 증기의 분자가 충돌될 수 있는 넓은 표면적 뿐만 아니라, 트랩(30)의 높은 유동 컨덕턴스를 유지하기 위한 넓은 단면적도 제공해야만 한다. 상기 설명된 바와 같이, 유동하는 가스부산물(G)이 직접적으로 충돌 또는 격돌될 수 있는 트랩(30)의 제2 스테이지에서의 내부 표면적의 양은, 특히 유동하는 가스부산물(G)이 직접적으로 충돌 또는 격돌할 수 있는 트랩(30)의 제1 스테이지에서의 내부 표면적의 제한된 양에 비해서, 트랩(30)의 제2 스테이지에서 바람직하게 꽤 넓다.
원통체를 형성하도록 감겨진 중공 냉각튜브(120)는 원통형 슬리브(94) 내에 동심으로 위치된다. 상기 설명된 실시예에서는 예컨대 3.35인치의 내경(121)을 가질 수 있다. 냉각코일튜브(120)는 예컨대 3/16인치의 내경(123)으로, 스테인레스강관과 같은 중공 관형재료로 만들어질 수 있다. 냉각코일튜브(120)는 메인하우징(60)의 베이스판(74)을 통하여 연장되는 만곡부분(122)의 일단부에서 종결된다. 외부 냉각유체공급원(도시생략)과 냉각코일튜브(120)를 연결하기 위해서 이용되는 중공 원통형파이프 또는 공급튜브(76)는 도 9에 도시된 바와 같이 코일튜브(120)의 단말부분(122)과 유체유동 정렬되어 베이스판에 또한 장착된다. 냉각코일튜브(120)는 중공 원통형 중앙튜브(128)에 냉각코일튜브(120)를 연결하는 만곡부분(126)에서의 다른 일단부에서 종결된다. 중앙튜브(128)는 원통형 슬리브(94)의 세로축선(98)과 동심으로 위치되고 그리고 상단부의 출구 연장부(64) 근처로부터 슬리브(94)의 바닥(110) 아래의 베이스판(74)으로 연장된다. 이러한 중앙튜브(128)는 상기된 트랩(30)의 실시예에서 예컨대 0.60인치의 내경(129)과 3/4인치(0.75)인치의 외경(130)을 가질 수 있다. 중앙튜브(128)의 하단부는 메인하우징(60)의 베이스판(74)으로 연장된다. 중공 원통형 출구파이프 또는 튜브(78)는 중앙파이프 또는 튜브(128)와 유체유동 정렬되는 제거가능한 판(74)에 장착된다. 냉각코일튜브(120), 만곡부분(122, 126), 중공 중앙튜브(128), 및 원통형파이프 또는 튜브(76, 78)의 조합은 트랩(30)의 제2 스테이지를 통하여 유동되도록 냉각수와 같은 액체 또는 냉각기체용의 연속적인 유체 유동통로를 형성한다. 냉각코일튜브(120)와 중앙튜브(128)를 통하여 유동하는 냉각유체는 원통형파이프(76)를 통하여 트랩(30)으로 들어가 원통형파이프(78)를 통하여 트랩(30)에서 나올 수 있거나, 또는 냉각코일튜브(120)와 중앙튜브(128)를 통하여 유동하는 냉각유체는 원통형파이프(78)를 통하여 트랩(30)으로 들어가 원통형파이프(76)를 통하여 트랩(30)에서 나올 수 있다. 어느 하나의 상황에서, 유동하는 냉각유체는 트랩(30)의 온도프로파일을 결정하기 위해서 도움을 주고 그리고 유동방향은 트랩(30)에서의 응축가능한 증기의 증착프로파일을 최적화시키도록 바람직하게 선택된다.
상기된 바와 같이, 가스부산물(G)이 우선 유입구포트(32)를 통하여 트랩(30)으로 들어갈 때, 원통형 슬리브(94)는 트랩(30)의 제1 스테이지에서의 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기가 냉각코일튜브(120) 또는 중공 중앙튜브(128)와 같은 제2 스테이지 냉각표면에 접촉되지 않도록 또한 방지한다. 가스부산물(G)이 원통형 슬리브(94)의 내부 체적(112)으로 유동되므로서 트랩(30)의 제2 스테이지로 들어간 후에 가스부산물(G)은 냉각코일튜브(120) 및 중공 중앙튜브(128)를 충돌할 수 있어, 이에 따라 트랩(30)의 효율을 증가시킨다. 가스부산물(G)이 트랩(30)의 제1 스테이지에서 냉각코일튜브(120) 및 중앙튜브(128)에 충돌하지 않도록 방지하는 것은 트랩(30)의 제1 스테이지에서의 가스부산물(G)과 냉각코일튜브(120) 및 중앙튜브(128) 사이의 열교환을 감소시킨다. 갭(132)은 원통형 슬리브(94)의 내부표면(134)과 냉각코일튜브(120) 사이에 존재하며, 이것은 원통형 슬리브(94) 내로의 냉각코일튜브(120)의 용이한 조립을 허용한다. 갭(132)은 예컨대 0.020인치의 폭을 가질 수 있다.
도 9 및 도 11에서, 본 발명의 트랩(30)의 제2 스테이지의 실시예는 중공 중앙튜브(128)의 외부표면에 부착되고 이 외부표면으로부터 외측 및 아래쪽으로 연장되는 관통구멍이 있는 복수의 원뿔체(146)를 포함한다. 이 원뿔체(146)는 그 목부(148)에서 용접 또는 다른 적절한 방법으로 중앙튜브(128)에 바람직하게 고정된다. 원뿔체(146)의 바닥 외부표면(150)은 또한 바람직하게 냉각코일튜브(120)와 직접 물리적으로 접촉된다. 냉각코일튜브(120) 및 중앙튜브(128) 양자와 물리적으로 접촉되는 원뿔체로, 원뿔체(146)가 냉각코일튜브(120) 및 중공 중앙튜브(128)를 통하여 유동하는 냉각유체에 의하여 효율적으로 냉각되도록, 냉각코일튜브(120)와 중앙튜브(128) 사이에서 원뿔체(146)를 통한 양호한 열의 통로가 이루어진다. 이들 변화 중 어느 하나가 트랩(30)의 온도프로파일과, 결과적으로 트랩(30)의 증착프로파일을 변화시키기 때문에, 원뿔체(146)는 또한 중앙튜브(128) 또는 냉각코일튜브(120) 중 어느 하나에 연결되지 않고 남아있을 수 있다.
원뿔체(146)가 트랩(30)의 제2 스테이지를 통한 가스부산물(G)의 유동과 그에 따른 트랩(30)의 제2 스테이지의 유동 컨덕턴스를 상당히 저해하여 감소시킬 수 있는 트랩(30)의 제2 스테이지에서 원뿔체(146)는 밸브 또는 차단효과를 가진다. 도 9에는 단지 3개의 원뿔체(146)만이 도시되었지만, 트랩(30)의 제2 스테이지가 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 분자가 충돌, 응축, 및 축적될 수 있는 충분한 표면적을 제공하는 한 그리고 트랩(30)의 제2 스테이지가 트랩(30)을 통하여 가스부산물(G)의 유동을 심하게 저해하지 않는 한, 그 이상 또는 이하의 원뿔체(146)가 사용될 수 있다. 이 원뿔체(146)는 또한 여러 가지의 다양한 크기 및 형상을 가질 수 있다.
도 8, 9 및 11에서, 각각의 원뿔체(146)는 제2 스테이지(112)를 통하여 가스부산물(G)의 유동을 허용하도록 복수의 구멍(152)으로 바람직하게 관통되는 한편, 원뿔체(146)의 관통되지 않은 부분은 가스부산물(G) 중의 응축가능한 분자에 대하여 충격표면을 제공한다. 상당한 임피던스 또는 압력강하 없이 원뿔체를 통하여 가스가 유동되기에 충분히 크다면, 관통구멍(152)의 직경은 특별히 중요한 것은 아니다. 상기 설명된 실시예에 대하여, 대략 5/32인치의 직경을 가지는 이러한 구멍은 원뿔체(146)의 표면적의 대략 63%의 구멍 밀도로 충족된다. 필요하다면, 원뿔체(152) 내의 구멍(152)의 직경은 원뿔체(146)의 표면에 따라서 변화될 수 있다. 원뿔체(146) 내의 구멍(152)은 다수의 중요한 기능을 발휘한다. 첫째로, 구멍(152)은 트랩(30)의 유동 컨덕턴스가 원뿔체(146)에 의하여 심하게 감소되지 않도록, 즉, 다시 말해서, 트랩(30)의 제2 스테이지를 통하여 가스부산물(G)의 유동이 심하게 저해되거나 감소되지 않도록 가스부산물(G)이 원뿔체(146)를 통하여 유동되는 것을 허용한다. 둘째로, 구멍(152)은 가스부산물 중의 응축가능한 증기의 분자가 충돌될 수 있는 에지의 개수를 증가시켜, 응축가능한 증기의 분자로부터 원뿔체(146)로의 열전달을 증가시키며, 이것은 응축가능한 증기의 분자가 트랩(30)의 제2 스테이지에서의 원뿔체(146)에 응축 및 축적되는 것을 야기시키고 트랩(30)의 세정 효과를 증가시킨다. 셋째로, 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 분자가 냉각코일튜브(120)에 보다 충돌하기 쉽도록, 원뿔체(146)에 충돌되지 않고 구멍(152)을 통하여 유동하는 가스부산물(G)은 관통된 원뿔체에 의하여 냉각코일튜브(120)를 향하여 외측으로 향하게 되어, 응축가능한 증기의 분자로부터 냉각코일튜브(120)로의 열전달을 증가시키며, 이것은 응축가능한 증기의 분자가 트랩(30)의 제2 스테이지에서의 냉각코일튜브(120)에 응축 및 축적되는 것을 야기시키고 트랩(30)의 세정 효과를 증가시킨다. 트랩(30)의 제2 스테이지에서의 원뿔체(146) 내의 원형구멍을 이용하는 것이 바람직하지만, 3각형, 정4각형, 직4각형, 또는 다른 형상의 구멍이 또한 이용될 수 있다.
트랩(30)의 제2 스테이지에서 원뿔체(146)가 사용되었지만, 제2 스테이지에서의 충분한 충돌표면적을 제공하는 동시에 기체유동을 방해하지 않는 많은 여러 가지 다른 표면형상이 가능하다. 예컨대, 도 13 및 도 14에서, 핀(154)은 원뿔체(146) 대신으로 이용될 수 있다. 각각의 핀(154)은 용접, 점용점, 또는 다른 적절한 방법으로 핀(154)의 베이스(156)에서 중공 중앙튜브(128)의 외부표면(155)에 부착된다. 핀(154)이 냉각코일튜브(120) 및 중앙튜브(128)를 통하여 유동하는 냉각유체에 의하여 냉각되도록, 핀(154)은 또한 냉각코일튜브(120)와 직접 물리적으로 접촉될 수 있다. 핀(154)이 중앙튜브(128)의 일련의 평행한 나선형상 외부표면을 형성하도록 핀(154)은 중앙튜브(128)에 연결된다. 더욱이, 각각의 핀(154)이 각도 α로 중공 중앙튜브(128)에 부착되도록 핀(154)은 중공 중앙튜브(128)에 연결된다. 이 각도 α는 예컨대 10°와 45°사이가 바람직하고, 15°와 30°사이가 최적이다.
상기 설명된 원뿔체(146)와 유사한 방식으로, 트랩(30)의 유동 컨덕턴스를 심하게 감소시키지 않으면서, 핀(154)은 표면과 충돌되도록 다수의 방향에서 트랩(30)의 제2 스테이지를 통하여 유동하는 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 분자에 영향을 미친다. 첫째로, 각각의 핀(154)은 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 분자가 충돌될 수 있는 측부표면(160) 및 하부에지(158)(또는 핀(154)의 두께에 따른 표면)를 포함하여, 응축가능한 증기의 분자로부터 핀(154)으로의 열전달을 증가시키며, 이것은 응축가능한 증기의 분자가 트랩(30)의 제2 스테이지에서 핀(154)에 응축 및 축적되도록 야기시키고 트랩(30)의 세정효율을 증가시킨다. 둘째로, 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 분자가 냉각코일튜브(120)에 충돌하기 쉽도록, 핀(154)에 충돌하지 않고 나선형 핀(154)을 통하여 유동하는 가스부산물(G)은 냉각코일튜브(120)를 향하여 외측으로 향하여, 응축가능한 증기의 분자로부터 냉각코일튜브(120)로의 열전달을 증가시키며, 이것은 응축가능한 증기의 분자가 트랩(30)의 제2 스테이지에서 냉각코일튜브(120)에 응축 및 축적되도록 야기시키고 트랩(30)의 세정효율을 증가시킨다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 원통형 슬리브(94)는 용접 또는 다른 적절한 방법으로 메인하우징(60)의 상판(63)에 대하여 그 원주부(162) 주위에서 단단하게 부착되어 유체밀봉된다. 그러므로, 트랩(30)으로 들어가는 가스부산물(G)은 원통형 슬리브(94)의 중공 내부 또는 제2 스테이지(112)를 통하여 유동되므로서 트랩(30)에서 나갈 수 있다. 트랩(30)의 베이스 플랜지(70)와 제거가능한 베이스판(74) 사이의 O-링(75)은 가스부산물(G)이 트랩(30)으로부터 탈출하지 않도록 또한 방지한다. 메인하우징(60), 플랜지(66, 68), 원통형 파이프(76, 78), 냉각코일튜브(120), 만곡부분(122, 126), 중공 중앙튜브(128), 원통형 슬리브(94), 및 원뿔체(146)를 포함하는, O-링(75)을 제외한 트랩(30)의 모든 구성요소는, 가스부산물(G)의 열을 견디어 낼 수 있는 그리고 가스부산물(G)로부터 냉각코일튜브(120) 및 중공 중앙튜브(128)를 통하여 유동하는 냉각유체로 쉽게 열을 전도할 수 있는 바람직한 특성을 가지는 스테인레스강 재료 또는 다른 적절한 재료로 구성될 수 있다. O-링(75)은 유체밀봉을 야기하고 유지하기 위해서 비톤(viton), 고무, 네오프렌, 또는 다른 적절한 재료로 구성될 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 단지 매우 낮은, 바람직하게는 무시될 수 있는 압력강하가 트랩(30)의 유입구포트(32)와 트랩(30)의 유출구포트(34) 사이에서 유지되고, 그리고 유출구포트(34)에서의 트랩(30)의 유동 컨덕턴스가 유입구포트(32)에서의 트랩(30)의 유동 컨덕턴스와 대략 동일하도록, 트랩(30)을 통한 가스부산물(G)의 상대적으로 일정한, 실질적으로 저해되지 않는 유동을 유지하는 것이 중요하다. 그렇지만, 트랩(30)에서의 염화암모니아(NH4Cl)와 같은 응축된 증기의 축적으로 인하여, 트랩(30)의 유동 컨덕턴스는 트랩(30)의 청소 사이의 시간에 걸쳐서 연속적으로 감소된다. 유동 컨덕턴스가 가스부산물(G)의 속도에 따르기 때문에, 특히 트랩(30)에서의 시스템 압력이 낮을 때(예컨대, 10 milliTorr 보다 작을 때), 트랩(30)의 유동컨덕턴스는 트랩(30)에서의 상이한 위치에서 상이할 수 있다. 가스부산물(G)의 속도는 트랩(30)에서의 가변질량유량 뿐만 아니라 가스부산물(G)의 가변온도로 인하여 트랩(30)에서의 상이한 위치에서 상이할 수 있다. 가스부산물(G)의 가변온도는 가스부산물(G)과 트랩(30) 사이의 열 또는 에너지전달의 결과이다. 트랩에서의 가변질량유량은 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기의 트랩(30)에서의 연속적인 승화 또는 응축의 결과이다.
트랩(30)에서의 상대적으로 높은 유동 컨덕턴스를 유지하기 위해서, 최소 유동 컨덕턴스가 존재하는 트랩(30)에서의 위치에서 트랩(30)의 유동 컨덕턴스는 트랩(30)의 유입구포트(32)에 연결되는 가열 배관라인 세그먼트(46)의 유동 컨덕턴스와 같거나 약간 높게 된다. 트랩(30)의 제1 스테이지에서의 단면적이 트랩(30)의 제2 스테이지의 단면적(A2)보다 바람직하게 꽤 크기 때문에, 응축가능한 물질의 축적이 아직 트랩(30) 내에서 발생하지 않을 때, 트랩(30)의 제2 스테이지에서 보다는 트랩(30)의 제1 스테이지에서 보다 높은 컨덕턴스가 기대된다. 그러므로, 트랩(30)의 제2 스테이지는 최소 유동 컨덕턴스를 가지는 트랩(30)에서의 위치이다. 따라서, 트랩(30)에서의 상대적으로 일정한 유동 컨덕턴스를 유지하기 위해서, 배관라인 세그먼트(46)의 단면적(A0)과 제2 스테이지의 단면적(A2) 사이에서 다음 관계가 유지된다.
(5)
여기에서, A0는 배관라인 세그먼트(46)의 단면적이고, T0는 배관라인 세그먼트(46) 내에서 그리고 유입구포트(32)를 통하여 트랩(30) 내로 유동하는 가스부산물(G)의 켈빈온도이고, A2는 트랩(30)의 제2 스테이지의 단면적이고, 그리고 T2는 트랩(30)의 제2 스테이지에서 유동하는 가스부산물(G)의 켈빈온도이다. 방정식 (5)는 트랩(30)에서의 응축된 물질의 양을 고려하지 않고, 즉, 다시 말해서 몰수가 가스부산물(G)의 분자의 아보가드로 수(6.230×1023)와 같은 경우에 일정한 몰유량을 요구하는 조건 없이 얻어진다. 그렇지만, 단지 질소와 같은 삽입물 및 비응축가스가 트랩(30)을 통하여 유동될 때, 몰유량이 트랩(30)을 통하여 유동하는 응축가능한 가스에 대하여 변하기 때문에, 방정식 (5)는 이용가능하다.
트랩(30)을 통하여 유동하는 응축가능한 증기의 몰유량에서의 변화가 고려될 때, 다음 관계가 얻어진다.
(6)
여기에서, A0는 배관라인 세그먼트(46)의 단면적이고, T0는 배관라인 세그먼트(46) 내에서 그리고 유입구포트(32)를 통하여 트랩(30) 내로 유동하는 가스부산물(G)의 켈빈온도이고, A2는 트랩(30)의 제2 스테이지의 단면적이고, 그리고 T2는 트랩(30)의 제2 스테이지에서 유동하는 가스부산물(G)의 켈빈온도이다. n0는 배관라인 세그먼트(46)에서 유동하는 가스부산물(G)의 몰유량이고 n2는 트랩(30)의 제2 스테이지를 통하여 유동하는 가스부산물(G)의 몰유량이다. 방정식 (5)는 n0가 n2와 같을 때 방정식 (6)을 간단하게 한 것이다. 도 2에 관하여 상기 설명된 전형적인 반도체 제조공정에서, 또는 다른 승화 또는 응축공정에서, 응축가능한 증기와는 다른 어떤 것이 예컨대 반응노(40)로부터 질소와 같은 가스를 제거시키기 위해서 퍼징공정이 취해질 때 발생될 수 있는 배관라인을 통하여 유동되지 않는다면, n2는 항상 n0보다 작고, 이에 따라 n2/n0는 항상 1보다 작다. 그러므로, 그러므로, 트랩(30)의 제2 스테이지의 단면적(A2)을 결정하기 위해서 방정식 (6) 대신에 방정식 (5)를 사용하는 것은 트랩(30)의 제2 스테이지에 대하여 약간 높은 유동 컨덕턴스를 초래한다.
염화암모니아(NH4Cl)가 가스부산물(G)로부터 제거될 응축가능한 증기인, 도 2에 관하여 상기 설명된 반도체 제조공정의 예에서, 배관라인 세그먼트(42, 46)의 내경은 대략 3.87인치로 가정되고 가스스팀 중의 NH4의 몰농도는 50%이다. 그러므로, 배관라인 세그먼트(42, 46)의 단면적(A0)은 대략 11.76 제곱인치이다. 배관라인 세그먼트(46)를 통하여 유동하는 가스부산물(G)의 온도(T0)가 섭씨로 150℃인 대략 423K이고 트랩(30)의 제2 스테이지로의 유입구에서 가스부산물(G)의 온도(T2)가 대략 353K, 즉 80℃이라면, 트랩(30)의 제1 스테이지의 트랩핑 효율은 대략 95%, n0는 1, n2는 0.525, 트랩(30)의 제2 스테이지의 단면적(A2)은 최소한 대략 5.15 제곱인치로 가정된다. 상기 설명된 바와 같이, 메인하우징(60)이 대략 6인치의 외경과 대략 5.83인치의 내경을 가질 수 있고, 냉각코일튜브(120)가 대략 3.35인치의 내경(121)과 대략 3,85인치의 외경을 가질 수 있기 때문에, 트랩(30)의 제2 스테이지의 단면적(A2)은 냉각코일튜브(120)가 고려될 때 대략 8.81 제곱인치이다. 그러므로, 트랩(30)의 제2 스테이지는 트랩(30)의 유동 컨덕턴스에 있어서 상당한 감소를 야기시키지 않고, 그리고 트랩(30)의 제1 스테이지를 통하여 유동하는 가스부산물(G) 중의 응축가능한 증기를 잡기 위하여 이용가능한 상당한 공간을 여전히 가진다.
방정식(5,6)은 트랩(30)의 제2 스테이지에서의 응축가능한 증기의 증착량이 트랩(30)의 제1 스테이지에서의 응축가능한 증기의 증착량 보다 상당히 작기 때문에 트랩(30)의 제2 스테이지의 단면적(A2)을 결정하는데 적용될 수 있다. 예를 들면, 트랩(30)의 제1 스테이지에 있는 증착량이 트랩(30)의 제2 스테이지에 있는 증착량보다 20배 크게되는 것은 가능하다. 따라서, 트랩(30)의 제2 스테이지에서 비교적 작은 증착물이 있기 때문에, 트랩(30)의 제2 스테이지에서 응축가능한 재료의 비교적 작은 축적이 있고 제2 스테이지의 단면적(A2)은 도3 과 도4에 의해 도시된 바와같이 시간에 따라 크게 변경시키지 않는다. 사실, 트랩(30)의 유출구 포트(34)에서의 온도는 히터 또는 냉각 코일에 의해 제어되어 상기된 바와같이 트랩(30)의 유출구 포트(34)에서 어떠한 응축된 증기도 없도록 한다.
하지만, 방정식(5,6)은 트랩(30)에 있는 위치(X)에서 증착되어 축적된 응축재료의 단면적(AdepX)이 위치(X)에서 응축된 재료의 축적으로 인하여 시간을 가지고 변화하기 때문에 트랩(30)에 있는 모든 다른 위치에서 소정된 단면적을 결정하는데 이용될 수 없는데, 여기에서 X는 트랩(30)에 있는 지정된 위치와 트랩(30)의 유입구 사이의 거리와 같다. 따라서, 다음과 같이 트랩에 있는 상이한 위치(X)에서 트랩(30)의 소정된 단면적(AX)를 결정하는데 방적식(6)보다 평이한 방적식을 이용하는 것이 필요하다.
(7)
여기에서 AX는 트랩(30)에 있는 위치에서 트랩(30)의 소정된 단면적과 같고, nX는 위치(X)에서 트랩(30)을 통하여 흐르는 가스 부산물(G)의 몰 유량이고, TX는 위치(X)에서 트랩(30)을 통하여 흐르는 가스 부산물(G)의 온도이고, AdepX는 위치(X)에서 트랩(30)내의 증착되어 축적된 응축가능한 재료의 단면적이고, 그리고 모든 다른 변수는 상기된 방정식(5,6)에 대한 변수와 동일한 것이다. 방정식(7)은 도5의 그래프(C)에 그래프로 표시되어 있고, 그리고 트랩(30)에 있는 증착 프로파일(AdepX), 트랩(30)에서의 온도 프로파일, 그리고 트랩(30)의 기하적 형상 사이의 관계를 제공한다. 도3과 도4에 연관하여 상기된 바와같이, 트랩(30)내의 증착 프로파일(AdepX)은 시간에 따라 성장하여서 곡선(AdepX)은 곡선(AX)에 접근한다. 트랩(30)의 작동시 증착된 응축가능한 증기의 축적이 시간에 따라 성장함에 따라, 트랩(30)을 통한 가스 부산물(G)의 유동은 곡선(AdepX)상의 한지점이 바람직한 기하학적 형상 의 곡선(AX)상의 한지점에 도달하도록 트랩(30)내의 증착 프로파일이 성장할 때까지 가능한한 유지되어 있고 트랩(30)의 유동컨덕턴스는 0보다 크게 유지되어있다. 하지만 상기된 바와 같이 트랩(30)의 컨덕턴스는 곡선(AdepX)이 곡선(AX)에 도달함에 따라 크게 감소될 것이고 그리고 트랩(30)의 유동컨덕턴스는 곡선(AdepX)상의 어는 지점이 곡선(AX)(이곡선은 트랩(30)의 막힌상태를 나타낸다)에 도달함에 따라 0으로 될 것이다.
트랩(30)의 유동컨덕턴스에서의 큰 감소가 바람직하지 않기 때문에, 트랩(30)의 유동컨덕턴스가 소정된 레벨로 감소될 때, 즉, 도5의 그래프(c)에 있는 곡선(AdepX)과 곡선(AX)사이의 갭이 트랩(30)에 있는 위치(X)에서 소정된 최소로 감소될 때, 트랩(30)으 작동을 정지시켜 트랩(30)을 세정하는 것은 바람직 한 것이다. 예를 들면,
Ax-Adepx=A2 (8)
일 때 트랩(30)의 작동을 정지시켜 트랩(30)을 세정하여서, 곡선(AX)과 곡선(AdepX)사이의 갭이 트랩(30)의 제2 스테이지의 단면적(A2)보다 항상 같거나 크도록한다.
방정식(70)에 의해 나타내어지는 바와같이, 그리고 도3-5에 연관하여 상기된 바와같이, 트랩(30)의 조속한 막힘은 트랩(30)에 대한 유동컨덕턴스의 소정된 최소레벨(곡선(AX)과 곡선(AdepX)사이의 최소 허용가능한 갭에의해 예시된 바와같이)이 일단 결정되면, 트랩(30)에 있는 모든 위치(X)가 방정식(7)을 만족하는 단면적(AX)과 온도(TX)를 갖는 것을 보장함으로써 방지될 수 있다. 모든 위치(X)에 대한 방정식(7)을 만족시키는 것이 실지로 어려우기 때문에 가능하다면, 트랩(30)은 트랩(30)에 있는 다른 위치/지점에 앞서 곡선(AX)과 곡선(AdepX)사이의 최소로 허용가능한 갭에 도달하는 위치/지점을 갖을 것이다. 트랩(30)의 복잡한 기하학적 형상이 주어지면, 트랩(30)에있는 어느 주어진 위치/지점에서의 트랩(30)의 단면적 또는 트랩(30)에 있는 주어진 위치/지점에서의 증착되어 응축된 재료의 단면적을 확인하는 것은 또한 실지로 어렵다는 것은 주지되어야 한다.
상기된 바와같이, AdepX는 트랩(30)의 작동과 이용시 위치(X)에서 트랩(30)에 축적하는 증착되어 응축하는 재료의 단면적이다. 트랩(30)의 용량은 단면적AdepX에 밀접하게 관련되어 있고 다음과 같이 계산된다:
(9)
여기에서 ρ는 가스 부산물(G)에 있는 응축된 응축가능한 증기의 밀도이다. 방정식(8)은 도3에 도시된 바와같이 트랩(30)의 온도 프로파일에 의해 영향을 받는 트랩(30)에 대한 증착 프로파일 곡선AdepX에 트랩(30)의 용량이 밀접하게 관련되어 있는 것을 나타낸다.
가스 부산물(G)이 트랩(30)의 제2 스테이지에 들어가게 되면, 가스 부산물(G)의 속도는 가스 부산물(G)로부터 냉각 코일 튜브(128), 중공 중앙 튜브(128) 및 원뿔체(146)로의 열전달로 인하여 크게 감소한다. 따라서, 제1 스테이지에서 보다 제2 스테이지에서 저속 유량이 기대된다. 이 저속유량은 트랩(30)에 있는 응축가능한 재료의 모음과 축적에 또한 감소된다. 또한 가스 부산물(G)의 밀도는 이상기체상태 방정식(P=ρRT, 여기에서 P는 가스 부산물(G)의 압력이고, ρ는 가스 부산물(G)의 밀도이고, R은 8.314J/(molK)에 대략 상당하는 기체상수이고, 그리고 T는 절대온도로 측정된 가스 부산물(G)의 온도이다)에 의해 나타내어지는 바와같이, 가스의 온도가 낮아지고 트랩(30)에서의 압력이 대략 일정하기 때문에 트랩(30)의 제2 스테이지에서 크게 증가된다. 트랩(30)의 제2 스테이지의 체적은 방정식(2,3)에 의해 나타내어지는 바와같이 트랩의 제1 스테이지의 체적보다 상당히 작기 때문에, 트랩(30)의 제2 스테이지를 통한 가스 부산물(G)의 유동은 크게 방해를 받고 유출구 포트(34)에서 트랩(30)의 유동컨덕턴스는 유입구 포트(32)에서 트랩(30)의 유동컨덕턴스와 대략 같다. 원뿔체(146)의 밸브작용 또는 방해작용으로 인하여, 원뿔체(146)는 트랩(30)의 제2 스테이지를 통한 가스 부산물(G)의 유동과 트랩(30)의 제2 스테이지의 유동컨덕턴스를 감소시키는 경향이 있다. 하지만, 원뿔체(146)에 있는 구멍(152)은 트랩(30)의 제2 스테이지를 통한 가스 부산물(G)의 유동에 대한 원뿔체(146)의 효과를 크게 감소시킨다.
트랩(30)의 작동과 이용시, 가스 부산물(G)은 도2에 도시된 바와같은 배관라인과 같은 배관라인 세그먼트로부터 유입구 포트(32)를 통하여 트랩(30)에 들어간다. 가스 부산물(G)은 원통형 슬리브(94)내에 담겨진 메인 하우징(60)의 체적을 제외한 메인 하우징(60)의 중공내부 모두로 이루어진 제1 스테이지 체적(82)내로 유동한다. 트랩(30)이 유입구 포트(32)에서의 가스 부산물(G)의 온도는 예를 들면 150。C가 될 수 있다. 트랩(30)에 들어가는 가스 부산물(G)의 난류로 인하여, 불가능하지는 않지만, 트랩(30)의 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 모든 분자의 정확한 유동을 예측하는 것은 어렵다. 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 분자의 대부분은 원통형 슬리브(94)의 외면(92)과 충돌하여 원통형 슬리브(94)의 외면(92)과 분자 사이의 열전달을 발생시키고, 이에의해 가스 부산물(G)의 온도를 감소시켜서 원통형 슬리브(94)의 외면(92)상에서 이 분자가 응축하도록 한다. 응축된 재료가 원통형 슬리브(94)의 외면(92)상에 쌓여져서 층을 형성함에 따라, 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 다른분자는 응축가능한 재료의 층과 충돌하여 원통형 슬리브(94)의 외면(92)상의 응축된 재료의 층의 축적을 계속 증가시킨다.
가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 분자의 일부가 원통형 슬리브(94)의 외면(92)과 또는 원통형 슬리브(94)의 외면(92)상의 응축된 재료의 축적된 층과 충돌하지 않을 것이다. 대신에, 이 분자들은 원통형 슬리브(94) 주위를 유동하여 메인 하우징(60)의 내면(106)과 충돌하여 응축하거나 또는 베이스판(74)쪽으로 아래로 또는 메인 하우징(60)의 상부 내면(164)쪽으로 위로 유동할 것이다. 메인 하우징(60)이 대기에의해 냉각되기 때문에 그리고 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기가 주위온도보다 높은 온도에서 흔히 응고화가 되기 때문에 제1 스테이지에 대한 대량의 냉각에 메인 하우징(60)이 또한 공헌한다는 것에 주의되어야 한다.
트랩(30)내로 유동하여서 메인 하우징(60)의 상부내면(164)쪽으로 유동하는 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 분자의 일부분은 메인 하우징(60)의 상부내면(164)을 따라 충돌하고, 응축하고 그리고 축적할 것이다. 다른 분자는 유입구 포트 연장부(62)의 내단부(102)와 메인 하우징의 상부내면(164) 사이에서 메인 하우징(60)의 내면(106)의 내면(106)의 부분(166)쪽으로 안내되고, 이에의해 메인 하우징(60)의 내면(164)의 부분(166)상에 충돌하여서, 응축하여 축적할 것이다.
트랩(30)내로 흐르는 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 분자의 일부분(대략 5% 또는 그 미만)은 트랩(30)의 제1 스테이지(80)에서 응축되지않고 베이스판(74)쪽으로 유동할 것이다. 유동하는 가스 부산물(G)이 트랩(30)의 제2 스테이지에 들어가기전에, 이들 가스 부산물(94)은 유동방향의 급작스런 전환을 경험하게 된다. 예를 들면, 유입구 포트(32)와 유입구 포트 연장부(62)를 통하여 트랩(30)내로 흐르는 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 이들 분자는 유동방향에 있어서 90°전환을 먼저 경험하게 되어 가스 부산물(G)의 일부 분자가 트랩(30)의 베이스판(74)을 향하여 아래로 흐르게 한다. 그다음, 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 이들 분자는 180°방향전환을 경험하게되어 이들이 원통형 슬리브(94)의 중공내부내로 그리고 통하여 유동하도록 한다. 가스유동방향의 급작스런 전환은 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 많은 분자가 베이스판(74)에 충돌하거나 또는 베이스판(74)상에 있는 응축된 재료의 축적된 층에 충돌하게 하여서, 응축가능한 증기의 분자와 트랩(30)의 베이스판(74) 사이의 매우 효과적인 열전달을 초래하여, 이에의해 트랩(30)의 제1 스테이지의 효율을 증가시키고 트랩(30)의 제2 스테이지에 대한 부하를 감소시킨다. 베이스판(74)이 원통형 파이프(76,78)의 양자와 물리적으로 접촉하기 때문에 이 베이스판은 원통형 파이프(76,78)를 통하여 유동하는 액체에의하여 냉각된다.
트랩(30)의 제2 스테이지에 들어가는 가스 부산물(G)은 예를들면 60。C 내지 100。C의 온도를 갖을수 있고, 그리고 원통형 슬리브(94)의 중공내부내로 그리고 냉각 코일 튜브(120) 양측상의 트랩(30)의 유출구 포트(34)를 향하여 위로 유동할 것이다. 특히, 가스 부산물(G)은 원통체(146)를 통하거나 또는 원통형 슬리브(94)와 냉각 코일 튜브(120) 사이의 갭(108)을 통하여 유동할 수 있다. 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 분자는 원통형 슬리브(94), 냉각 코일 튜브(120), 및 원뿔체(146)와 충돌하여, 충돌을 받은 표면상에 응축하여서 축적하여 트랩(30)의 효율을 증가시킨다.
상기된 바와같이 트랩(30)의 제2 스테이지는 고효율의 열교환기로서 작용하여, 트랩(30)의 제2 스테이지의 스크러빙 효율을 증가시키고, 즉, 제1 스테이지에서 제거되지않은 가스 부산물(G) 유동에서 남은 목적된 모든 응축가능한 가스를 선택적으로 모아 잡아내는 제2 스테이지의 능력을 증가시키고, 이에이해 전체 트랩(30)의 잡아내는 효율을 증가시킨다. 따라서, 5℃ 내지 25℃의 범위내에 있는 온도에서 물과같은 냉각 유체는 원통형 파이프(76)내로 또는 변경적으로 원통형 파이프(78)내로 대략 500㎤/min의 비율로 펌핑된다. 이 냉각 유체는 원통형 파이프(76, 78), 냉각 코일 튜브(120), 만곡된 부분(122, 126), 및 중공 중앙 튜브(128)를 통하여 유동하여 트랩(30)의 제2 스테이지를 냉각한다. 원뿔체(146)가 냉각 코일 튜브(120)와 중공 중앙 튜브(128)에 연결되기 때문에, 원뿔체(146)는 트랩(30)의 제2 스테이지를 통하여 유동하는 냉각유체에 의해 냉각된다. 냉각 유체가 원통형 파이프(76)를 통하여 트랩(30)내로 유동하면, 냉각 유체는 원통형 파이프(78)를 통하여 트랩(30)밖으로 유동할 것이다. 유사하게, 냉각유체가 원통형 파이프(78)를 통하여 트랩(30)내로 유동하면, 이 냉각유체는 원통형 파이프(76)를 통하여 트랩(30)밖으로 유동할 것이다.
트랩(30)의 제2 스테이지를 통하여 흐르는 가스 부산물(G)은 유출구 포트(34)를 통하여 트랩(30)을 빠져나와 도2에 도시된 배관 라인 세그먼트 또는 파이프(54)와 같은 배관 라인 세그먼트에 들어간다. 상기된 바와같이, 본 발명의 트랩(30)은 트랩(30)을 통하여 흐르는 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 99%이상을 제거할 수 있다. 트랩(30)의 유입구 포트(32)와 트랩(30)의 유출구 포트(34) 사이의 압력강하는 트랩(30)에서의 메인 압력이 190밀리토르일 때 그리고 가스 부산물(G)의 질량유량(Q)이 대략 120 표준 ㎤/min (120 sccm)일 때, 대략 2.7 밀리토르가 될 것이다. 트랩(30)에서 나오는 가스 부산물(G)의 온도는 예를들면, 25℃내지 30℃가 될 수 있다. 결과적으로, 트랩(30)에 있는 응축된 재료의 축적은 트랩(30)을 막히게 할 것이고 이에의해 트랩(30)이 세정되어야 하는 레벨로 트랩의 유동컨덕턴스를 감소시킬 것이다. 트랩(30)이 간헐적으로 사용된다면, 이 간헐적인 사용은 트랩(30)에 있는 응축된 재료가 트랩(30)에서 재기화, 재분배, 및 재응축하게 하여 트랩(30)에 있는 응축된 재료의 분배가 보다 균등하게 되어, 이에의해 트랩(30)의 필요된 세정작업들 사이의 시간 존속을 증가시킨다.
트랩(30)을 세정할 때, 트랩(30)은 도2에 도시된 배관 라인 세크먼트(46,54)로부터 필연적이지는 않지만 바람직하게 제거된다. 이 베이스판(74)은 트랩의 메인 하우징(60)으로부터 제거될 수 있어 세정공정을 용이하게 한다. 트랩(30)으로부터 제거되어야 할 응축가능한 재료의 타입에 따라 트랩(30)을 세정하는 여러 상이한 방법이 있다. 상기된 염화 암모니아(NH4Cl)의 예에서, 트랩(30)에 있는 응축된 염화 암모니아(NH4Cl)를 제거하는 일상적인 효과적인 방법은 염화 암모니아(NH4Cl)가 물에서 용해되기 때문에 물통내로 트랩(30)을 잠기게 하는 것이다. 물에서 염화 암모니아(NH4Cl)의 용해성이 물의 온도의 함수이기 때문에, 높은 물온도는 보다 짧은 세정시간을 초래한다. 하지만, 염산이 물에서 염화 암모니아(NH4Cl)의 용해동안 발생하기 때문에, 고온물 보다 오히려 단지 미온의 물이 트랩(30)에서 증착된 염화 암모니아(NH4Cl)를 용해하는 데 이용되어야 한다. 트랩(30)이 물에 의해서 세정된 후, 트랩(30)은 오븐(도시생략)내로 위치되어 트랩(30)에 의해 또는 O 링(75)에 의해 흡수된 어떠한 수증기도 제거한다. 이 오븐 온도는 너무 높지는 말아야 하지만, O 링(75)은 트랩(30)이 오븐내에 위치될 때 손상될 수도 있다.
본 발명의 트랩(30)의 다른 실시예가 도15에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 트랩(30)의 메인 하우징(60)은 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 분자가 물리적으로 충돌을 가하는 충돌표면의 수를 증가시키는 핀(174)(도13에 또한 도시됨)을 포함하고 있어, 이에의해 분자로부터 트랩(30)으로 열전달을 야기하여, 분자가 트랩(30)에서 응축하게하고, 이에의해 트랩(30)의 효율을 향상시킨다. 핀(174)은 메인 하우징(60)의 내면(106)으로부터 부분적으로 메인 하우징(60)의 길이방향 축선(100)을 향하여 방사상 안쪽으로 뻗어있다. 각각의 핀(174)은 하향으로 경사진 상부에지(176)을 포함하고 있고, 그리고 이들 각각은 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 분자가 충돌을 가하고 응축하여 축적하는 트랩(30)의 제1 스테이지에 있는 부가적인 충돌 표면을 제공하여, 이에의해 트랩(30)의 제1 스테이지(30)의 효율을 증가시켜서, 트랩(30)의 이용가능한 체적을 증가시켜서, 트랩(30)의 제2 스테이지에 대한 부하를 감소시킴으로써, 트랩(30)에 있는 응축가능한 증기의 증착 프로파일을 최적화 한다. 각각의 핀(176)의 하향으로 경사진 상부 에지(176)는 응축된 재료의 축적이 트랩(30)의 유입구 포트 연장부(62)에 너무 근접하게 되어 트랩(30)의 조속한 막힘을 야기할수 있는 것을 방지하는 데 조력한다.
제1 스테이지에서 충돌 표면의 수를 증가시키기 위해서 그리고 트랩(30)에 있는 응축가능한 증기의 증착 프로파일을 최적화 하기위해서, 부가적인 핀(도시생략)은 수직, 수평, 또는 각이진 방향으로 메인 하우징(60)의 내면(160)으로부터 안쪽으로 뻗을수 있다. 이 부가적인 핀은 가스 부산물(G)에있는 응축가능한 증기의 분자가 충돌하여, 응축하여, 그리고 축적하는 트랩(30)에 있는 부가적인 충돌표면을 제공할 것이다. 또한 핀(174)은 표면(176, 178)으로부터 바깥방향으로 뻗은 보다작은 핀(도시생략)을 또한 포함하고 있어 트랩(30)의 제1 스테이지에서 표면구역의 수를 증가시킨다. 멀리 하우징(60)의 내면(106)으로부터 원통형 슬리브(94)까지 뻗어있는 핀(도시생략)을 가지고 있어, 핀(도시생략)이 트랩(30)의 메인 하우징(60)의 뒤쪽 내면(96) 근처에 위치되면, 트랩(30)의 제1 스테이지의 이용체적을 감소시킴없이 충돌표면구역의 양을 크게 증가시킬수 있다. 이러한 핀(도시생략)은 메인 하우징(60)의 뒤쪽 내면(96)에서 응축된 재료의 축적에 의해 유입구 포트 연장부(62)를 막히게 할 가능성이 희박하기 때문에, 멀리 메인 하우징(60)의 베이스 플랜지(70)로부터 메인 하우징(60)의 상부 내면(164)까지 뻗을수 있다.
본 발명의 트랩(30)의 다른 실시예가 도16에 도시되어 있다. 이 실시예에서, 원통형 슬리브(94)는 냉각 코일 튜브(120)의 대부분(190)을 덮을 수 없다. 또한, 냉각 코일 튜브(120)는 원통형 슬리브(94) 외측에 있는 메인 하우징(60)의 내부내의 중공 원뿔 절두체로서 그리고 원통형 슬리브(94)내의 중공 원통체로서 배열되어 있다. 이 원뿔체(192)는 중앙 튜브(120)에 부착되어 냉각 코일 튜브(120)의 노출된 부분(190) 또는 냉각 코일 튜브(120)와 (비록 가능하지만) 반듯이 물리적 접촉하지않도록 한다. 이 실시예에서, 냉각 코일 튜브(120)의 노출된 부분(190)은 트랩(30)의 제1 스테이지에서 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 증기의 분자와 트랩(30) 사이의 열전달을 증가시켜, 이에의해 트랩(30)의 제1 스테이지의 효율을 증가시키고 그리고 트랩(30)의 제2 스테이지상의 부하를 감소시킨다. 노출된 부분(190)은 도5에서 그래프(B)와 연관하여 상술된 트랩과 상당히 유사하게, 트랩(30)의 제1 및 제2 스테이지 사이의 천이역으로서 또는 트랩(30)의 제3 스테이지로서 또한 나타내어 질 수 있다. 냉각 코일 튜브(120)의 다른 배열은 트랩(30)에 있는 증착 프로파일 뿐만아니라 트랩(30)의 효율과 용량을 최적화하는데 또한 사용될 수 있다. 또한, 하부 원뿔체(192)가 트랩(30)에 있는 증착 프로파일 뿐만아니라 트랩(30)의 효율과 용량을 최적화 하도록 상이한 형상 및/또는 크기를 갖는 것은 또한 가능하다.
상기 설명은 본 발명의 원리만을 예시한 것으로서 고려된 것이다. 또한 수 많은 수정과 변경이 당해 분야에 종사하는 사람들에게 쉽게 발생할 수 있기 때문에, 상기되고 도시된 정확한 구조와 공정으로 본 발명을 제한하는 것은 바람직 하지 않다. 예를 들면, 트랩에 있는 스테이지와 천이역 사이의 정확한 윤곽과 그리고 이로인한 트랩(30)에 있는 스테이지와 천이역의 정확한 수는 이해를 받는다. 예를들면, 유입구 포트 연장부(62)가 메인 하우징에 있는 체적(82)으로부터 별개의 스테이지로서 간주되는 것은 가능하다. 유출구 포트 연장부(64)가 원통형 슬리브(94)내에 담겨진 체적으로부터 별개의 스테이지로서 간주되는 것은 또한 가능하다. 다른 예로서, 도15와 도16에 연관하여 상기된 트랩(30)의 실시예는 2개의 스테이지를 갖는 것으로서 간주 될 수 있다. 하지만, 변경적으로, 핀(174)과 노출된 원뿔체(192)를 담고있는 트랩(30)의 면적은 제1 스테이지와 제2 스테이지 사이의 제3 스테이지 또는 천이역으로서 또한 간주 될 수 있다.
본 발명의 트랩(30)이 사용될 수 있는 방법의 다른 예로서, 트랩(30)을 통하여 유동하는 가스 부산물(G)로부터 소정된 효율의 개개의 미립자로 된 응축가능한 재료제거를 얻도록 트랩(30)을 평면화된 스크러버로서 사용하는 것은 가능하다. 환언하면, 트랩(30)이 트랩(30)을 통하여 흐르는 가스 부산물(G)에 있는 응축가능한 재료의 매우 큰 비율을 잡아 모아서 축적하기위해 고 효율을 갖도록 설계되어 있는 한편, 예를들어, 트랩(30)내에 있는 원뿔체의 수(원통체에 있는 관통구멍의 수와 크기), 핀의 수, 그리고 다른 충돌표면을 제어함으로써 및/또는 예를들어, 냉각 코일 튜브(120)를 통하여 흐르는 유체의 온도를 그리고 유입구 포트(32), 유출구 포트(34), 유입구 포트 연장부(62), 유출구 포트 연장부(64), 플랜지(66), 플랜지(68), 또는 전체의 트랩(30)에서 트랩(30)의 온도를 히터, 단열재, 및 부가적인 냉각 코일의 이용을 통하여 제어함으로써 예를들면, 50%의 효율을 갖는 트랩(30)을 만드는 것은 또한 가능하다.
트랩(30)에 있는 스테이지 또는 구역의 정확한 수와 그리고 인접한 스테이지 또는 구역 사이의 윤곽은 트랩의 구조와 작동을 설명하는데 주로 사용되어 왔지만, 이들은 트랩(30)에 있는 응축된 재료의 증착 프로파일, 트랩(30)의 온도 프로파일, 및 트랩(30)의 기하학적 형상 사이의 관계에 관한 본 발명의 트랩(30)의 개념의 범주를 제한하는데 사용되지 말아야 한다. 따라서, 모든 적절한 수정과 등가물이 다음의 청구범위에 의해 한정된 바와같이 본 발명의 범주내에서 가능하다.

Claims (29)

  1. 가스 스트림에서 재료를 증착시키는 트랩에서, 상기트랩이 상기 가스 스트림용 입구와 상기 가스 스트립용 출구를 가지고 있고 여기에서 상기 가스 스트립은 제1 온도에서 상기 입구를 통하여 상기 트랩에 들어가고 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 상기 출구를 통하여 상기 트랩을 나와 상기 입출구 사이에 있는 상기트랩에서 상기 가스 스트림의 온도를 저하시켜 가스 스트림으로부터 트랩으로 에너지의 전달을 야기하여 상기 트랩에서 상기 재료의 증착을 야기하는 트랩에 있어서,
    제1 챔버를 에워싸는 제1 하우징과 그리고 상기 입구와 출구 사이의 스크러버 챔버를 에워싸는 제2 하우징으로 구성되는데, 상기 입구는 상기 가스 스트림을 입구축선방향으로 상기 제1 챔버내로 안내하고, 상기 제1 챔버는 상기 입구 축선방향에 횡으로 그리고 상기 입구로부터 안으로 일정거리만큼 떨어져 위치되어 충돌하여 증착된 상기 재료의 분자를 제외한 상기 입구축선방향으로부터의 모든 가스 스트림을 전환시키는 제1 충돌표면을 가지고 있고, 상기 스크러버 챔버는 상기 제1 챔버에 있는 입구, 출구, 상기 입구로부터 상기 출구로 뻗어있는 스크러버축선유동방향, 상기 제2 하우징으로부터 분리되어 상기 스크러버 축선 유동방향에 횡단하여 뻗어있는 제2 충돌표면, 그리고 상기 제1 온도보다 낮은 온도에서 상기 제2 충돌표면을 유지하기위해 상기 제2 충돌표면에 연결된 냉각수단을 가지고 있는 것을 특징으로하는 트랩.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 하우징은 길이방향축선을 가진 길다란 원통체이고 그리고 상기 스크러버 축선유동방향은 상기 길이방향축선에 평행한 것을 특징으로 하는 트랩.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제2 충돌표면은 상기 길이방향축선과 일치된 원추축선을 갖은 관통구멍이 있는 원뿔체로 구성된 것을 특징으로 하는 트랩.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제2 충돌표면은 상기 원통체에 있는 상기 길이방향축선에 따라 서로로부터 이격된 다공 원뿔체로 구성된 것을 특징으로 하는 트랩.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 충돌표면은 상기 스크러버축선 유동방향으로부터 떨어지게 상기 가스 스트림을 전환시키도록 형상화된 복수의 핀으로 구성된 것을 특징으로 하는 트랩.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각수단은 상기 스크러버 챔버에서 길이방향으로 뻗어있는 축선튜브를 포함하고 있고, 상기 튜브는 냉각유체원에 연결되기에 적합하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 충돌표면은 상기 축선튜브에 부착되어 이것으로부터 방사상 바깥방향으로 뻗어있는 관통구멍이 있는 원뿔체로 구성된 것을 특징으로 하는 트랩.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 충돌표면은 상기 길이방향축선을 따라 서로로부터 이격된 관통구멍이 있는 복수의 원뿔체로 구성되고, 상기 원뿔체의 각각은 상기 축선튜브에 부착되어 이것으로 부터 방사상 바깥방향으로 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 제2 충돌표면은 상기 축선튜브에 부착되어 이것으로 부터 방사상 바깥방향으로 뻗어 있는 복수의 핀으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  10. 제 6 항에 있어서, 상기 냉각수단은 상기 축선튜브에 연결되어 상기 원통체에 인접한 상기 스크러버 챔버를 통하여 나선형으로 그리고 상기 축선튜브로부터 밖으로 일정의 방사상거리만큼 뻗어있는 코일형 튜브를 또한 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 제2 충돌표면은 상기 코일형 튜브를 향하여 상기 축선 튜브로부터 방사상 바깥방향으로 뻗어 상기 축선튜브에 부착되어 있는 관통구멍이 있는 원뿔체로 구성된 것을 특징으로 하는 트랩.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 원뿔체는 상기 코일형 튜브와 접촉하게 되도록 뻗어있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 제2 충돌표면은 상기 길이방향축선을 따라 서로로부터 이격된 관통구멍이 있는 복수의 원뿔체로 구성되고, 상기 원뿔체의 각각은 상기 축선튜브에 부착되어 이것으로부터 방사상 바깥방향으로 상기 코일형 튜브를 향하여 뻗어 있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 원뿔체는 상기 코일형 튜브와 접촉하게 되도록 뻗어있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 제2 충돌표면은 상기 코일형 튜브를 향하여 상기 축선 튜브로부터 방사상 바깥방향으로 뻗어 상기 축선튜브에 부착되어 있는 복수의 핀으로 구성된 것을 특징으로 하는 트랩.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 핀은 상기 코일 튜브와 접촉하게 되도록 뻗어있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 스크러버 챔버와 그리고 상기 스크러버 챔버에 있는 상기 제2 충돌표면은 상기 스크러버 챔버에서 가스 스트림의 컨덕턴스가 입구에서 가스 스트림의 컨덕턴스보다 작게되지않는 방식으로 서로에 연관하여 크기화되고, 비례화되어 있으며, 그리고 방향설정되어 있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 하우징은 상기 제1 챔버에 위치되어 이것에 의해 에워싸여지는 것을 특징으로 하는 트랩.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 제1 충돌표면은 상기 제2 하우징으로 구성되는 것을 특징으로 하는 트랩.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 제2 하우징은 길다란 원통체이고, 이것의 한단부는 상기 제1 챔버에 위치되어 상기 입구를 형성하며 그리고 이것의 다른 한단부는 상기 제1 챔버외측에 위치되어 상기 출구를 형성하는 것을 특징으로 하는 트랩.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 스크러버 축선 유동방향은 상기 입구로부터 상기 출구로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 스크러버 축선 유동방향은 상기 입구 축선방향에 수직인 것을 특징으로 하는 트랩.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 제1 하우징은 상기 제2 하우징을 에워싸는 길다란 외부 원통체이고, 이 원통체의 한단부는 상기 입구로부터 일정거리로 이격된 완전끝벽을 가지고 있고 그리고 이 원통체의 다른 한단부는 상기 제2 하우징을 밀봉하는 부분끝벽을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 제1 하우징의 상기 길다란 외부 원통체는 상기 제2 하우징의 상기 길다란 원통체에 편심되어 있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 입구는 거리에 있어서 상기 제2 하우징의 상기 원통체로부터 가장 멀리 있는 상기 제1 하우징의 상기 외부 원통체의 일부에 위치되는 것을 특징으로 하는 트랩.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 챔버는 제1 체적이고, 그리고 상기 스크러버 챔버는 상기 제1 체적보다 작은 제2 체적을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 트랩.
  27. 상기 제 26 항에 있어서, 상기 제1 체적은 제2 체적 보다 적어도 1½배 큰 것을 특징으로하는 트랩.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 스크러버 챔버으로의 상기 입구는 단면적을 가지고 있고 그리고 상기 트랩으로의 상기 입구는 단면적을 가지고 있으며, 그리고 상기 입구의 상기 단면적은 상기 제1 온도에 의해서 증가되고 상기 제2 온도에 의해서 나누어지는 상기 입구의 상기 단면적보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 트랩.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 스크러버챔버는 상기 제1 챔버 보다 효과적인 열교환기인 것을 특징으로 하는 트랩.
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