KR20040037213A - 교환 장치 - Google Patents

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Abstract

열가소성 재료 내로 용융 결합된 중공 열가소성 튜브로 구성된 교환 장치가 개시된다. 양호한 실시예에서, 중공 튜브는 튜브를 코드로 합연한 다음 합연부의 정점 및 만곡부를 고정하도록 코드를 열 어닐링함으로써 형성된다. 코드는 교환 장치 내의 중공 튜브 둘레에 개선된 유체의 유동 분포를 제공한다. 교환 장치는 화학적으로 불활성이고 직교류 여과는 가혹한 화학 환경 내에서 열 및 물질 전달에 대해 유용하다.

Description

교환 장치 {EXCHANGE APPARATUS}
중공 튜브 및 박벽 중공 튜브는 물질 전달, 열 교환, 및 직교류 입자 여과 장치에서 일반적으로 사용된다. 이러한 적용에서, 중공 튜브 또는 섬유는 유사한 조성의 평평한 시트 재료로 만들어진 장치보다 더 작은 부피 내에서 더 큰 열 및물질의 전달을 허용하는 높은 표면 대 부피 비를 제공한다.
중공 섬유 또는 중공 튜브는 외경부 및 표면, 내경부 및 표면, 그리고 튜브 또는 섬유의 제1 및 제2 표면들 또는 측면들 사이의 다공성 또는 비다공성 재료를 포함한다. 내경부는 섬유 또는 튜브의 중공부를 한정하며 유체들 중 하나를 보유하는 데 사용된다. 튜브 측면 접촉이라는 용어에 대해, 제1 유체상은 때때로 루멘으로 불리는 중공부를 통해 유동하며, 튜브 또는 섬유를 둘러싸는 제2 유체상으로부터 분리되어 유지된다. 쉘 측면 접촉에서, 제1 유체상은 튜브 또는 섬유의 외경부 및 표면을 둘러싸고, 제2 유체상은 루멘을 통해 유동한다. 교환 장치에서, 패킹 밀도는 장치 내에 충진(potting)될 수 있는 유용한 중공 섬유 또는 중공 튜브의 개수와 관련된다.
액체의 가열이 요구되는 반도체 제조에서의 적용예는 황산 및 과산화수소 감광 저항 탈거 용액, 질화규소 및 알루미늄 금속 식각을 위한 고온 인산, 수산화암모늄 및 과산화수소 SC1 세척 용액, 염산 및 과산화수소 SC2 세척 용액, 고온의 탈이온수 린스, 그리고 가열된 유기 아민계 감광 저항 탈거제를 포함한다.
특히 감광 저항 탈거 용액, 인산, SC1 및 SC2 세척 용액인 가열된 액체의 조(bath) 내에서의 사용 후 냉각은 사용된 화학 약품을 폐기하기 전에 필요하다. 전기 화학 도금 조 및 장치는 때때로 실온 이하 온도로 유지된다.
웨이퍼 처리 트랙 장치 상에서, 웨이퍼 상으로 분배되기 이전의 유전체, 감광 저항, 반사 방지 코팅, 및 현상제 상의 스핀과 같은 액체의 온도의 정확하고 반복 가능한 조절은 이러한 액체의 가열 또는 냉각을 요구한다.
열 교환기는 하나의 유체, 처리 유체, 및 제2 작업 유체로부터 열을 전달하는 장치이다. 중합체 기반 열 교환기는 그의 화학적인 불활성 및 부식에 대한 저항으로 인해 이러한 적용을 위한 화학 약품을 가열 및 냉각하기 위해 사용된다. 그러나, 중합체 열 교환 장치는 보통 크고, 이는 장치 내에서 사용되는 중합체의 낮은 열 전도성으로 인해 주어진 온도 변화를 달성하기 위해 큰 열 전달 표면적이 요구되기 때문이다. 튜브의 편조(braiding)는 튜브가 개방형 용기 열 교환 장치 내에서 사용될 때 불균일하게 이격되는 것을 방지하는 데 사용된다. 그러한 장치는 상당한 공간을 차지하고, 화학 약품 또는 교환 유체의 큰 보유 체적을 요구하고, 만드는 데 비용이 든다. 그러한 장치는 또한 파손되기 쉬운 O-링 시일을 요구하며 아울러 이온 및 입자 오염원이다.
석영 가열기 또한 반도체 처리를 위해 사용되는 액체를 가열하는 데 사용된다. 석영은 파단되기 쉽고, 노출된 저항식으로 가열된 표면은 특히 유기 액체 및 인화성 가스를 방출하는 액체에 대해 화재 및 폭발 위험을 내포한다.
중공 섬유 튜브를 사용하는 가스 대 액체 접촉기 또는 교환기는 반도체 제조 시에 액체로부터 가스를 제거하거나 첨가하는 데 사용된다. 상용의 가스 대 액체 접촉기는 유체들 사이의 물질 전달을 개선하기 위해 배플을 이용한다. 접촉식 박막 시스템에 대한 전형적인 적용은 액체로부터 용존 가스를 제거하거나 ("탈기"), 액체에 기상 물질을 첨가하는 것이다. 예를 들어, 습식 벤치는 오존 가스가 세척 및 산화물 성장을 위해 반도체 웨이퍼와 접촉하도록 매우 순수한 물에 첨가되는 웨이퍼 처리 장치이다.
직교류 여과는 반도체 제조 시에 화학, 기계적 폴리싱 슬러리 내에 사용되는 연마 입자와 같은 현탁된 고체를 제거하는 데 사용된다. 화학, 기계적 슬러리 스트림은 고형 슬러리 재료 이외에, 염산 또는 염화암모늄과 같은 산 및 염기와 조합된 과산화수소와 같은 산화제를 함유한다. 화학, 기계적 폴리싱 공구는 반도체 제조 시에 사용되는 웨이퍼 처리 장치의 예이다.
중공 튜브 또는 다공성 중공 섬유로부터 만들어진 접촉기를 사용하여 직교류 여과, 물질 전달, 및 열 전달을 달성하기 위해, 배플링은 튜브형 요소를 가로질러 유동을 촉진하는 데 보편적으로 사용된다. 중공 튜브로의 열 및 재료의 전달을 개선하기 위한 배플링에 대한 다양한 설계가 문헌에 상술되어 있다. 미국 특허 제5,352,361호는 중공 섬유 가스 대 액체 접촉기를 위한 배플링의 방식을 개시한다. 그러한 배플은 라미네이트 배플을 충진 및 회전시키는 방법이 쉽게 실시되는 폴리에틸렌계 중공 튜브에 대해 유용하다. 과불소 처리된(perfluorinated) 튜브의 배플링은 이러한 기술을 사용할 때 실용적이지 않다. 미국 특허 제4,749,031호는 개별 중공 튜브가 나사 결합되는 과불소 처리된 배플에 의한 배플링을 개시한다. 이러한 기술을 사용하여 교환 접촉기를 제조하는 것은 성가시고 고가이다. 미국 특허 제4,360,059호는 알루미늄과 같은 주조 재료로부터 준비된 나선형 열 교환기를 설명한다. 그러한 방법은 열가소성 재료의 사용을 고려하지 않으며, 열 전도성이 낮은 열가소성 재료에 대해 요구되는 실질적으로 큰 표면적에 대한 요구를 처리하지 않는다.
미국 특허 제3,315,740호는 열 교환기 내에서 사용하기 위해 융합에 의해 튜브들을 서로 결합시키는 방법을 개시한다. 열가소성 재료의 튜브들은 튜브들의 단부들이 평행한 관계로 접촉하는 방식으로 모아진다. 모아진 튜브들의 단부는 열가소성 내부 표면을 가지며 튜브에 비해 강성인 슬리브 내에 위치된다. 적어도 열가소성 재료의 연화점에 상응하는 온도로 가열된 유체는 튜브의 단부의 내부로 도입된다. 그 다음 압력 차이가 튜브들의 벽을 가로질러 부과되어 튜브 내의 압력이 튜브의 외부 표면 상의 압력보다 커지고, 이에 의해 튜브들이 팽창되어 인접한 튜브의 표면과 융합되도록 한다. 그러한 방법은 튜브의 중공부로의 진입부의 불균일한 패턴을 생성하여 튜브에 대한 불균일한 유동 분포를 이룬다. 그러한 방법은 또한 하우징 슬리브와의 밀봉을 형성하기에 충분한 열가소성 수지를 제공하도록 비교적 두꺼운 벽의 튜브를 요구한다. 단부 구조물 또는 단일화된 말단부 블록을 형성하기 위해 그러한 충진 방법을 사용하는 것이 고려되지 않으며, 튜브들을 편조하여 증대된 유동 분포를 제공하기 위해 충진 이전에 이들을 열 고정하는 것이 고려되지 않는다.
캐나다 특허 제1252082호는 나선형 권취 중합체 열 교환기를 만드는 방식을 개시한다. 그러한 장치는 튜브를 제 위치에 유지하기 위한 기계식 고정구를 요구하며, 따라서 큰 체적의 공간을 요구한다.
미국 특허 제4,980,060호 및 미국 특허 제5,066,379호는 여과를 위해 다공성 중공 섬유 튜브의 용융 결합식 충진을 설명한다. 그러한 발명은 상 및 열 교환에 사용하기 위한 단일화된 말단부 블록의 준비를 위해 비다공성의 열가소성 튜브의 용융 결합을 달성하기 위해 요구되는 조건을 개시하지 않는다. 그러한 발명은 중공 튜브들의 꼬임 또는 편조를 고려하지 않으며, 증대된 유동 분포를 위한 침지된 튜브 상의 구조를 달성하도록 충진 이전에 섬유를 어닐링하는 것을 고려하지 않는다.
알란 게이블맨과 황선탁은 멤브레인 사이언스라는 저널, 제159권(1999년), 61 내지 106면에서 중공 튜브 접촉기 내에서 더 양호한 물질 전달을 얻기 위한 균일한 섬유 간격의 중요성을 설명한다. 저자는 손으로 만든 모듈은 더욱 균일한 섬유 간격을 갖지만 그러한 모듈의 비용은 그의 높은 제조 비용을 정당화하지 않는다는 것을 인정한다. 그러한 배열은 중공 튜브 열 교환 및 직교류 장치에 적용될 수 있다.
미국 특허 제5,224,522호는 혈액 산소 투여기 및 열 교환기와 같은 교환 장치 내에서 사용하기 위한 제직된 중공 섬유 테이프를 제조하기 위한 방법 및 장치를 설명한다. 그러한 장치 및 방법은 튜브 매트 내에서 양호한 관계로 섬유들을 고정시키기 위해 고가의 복잡한 제직 장비를 요구한다.
현재, 요구되는 장치의 고비용 및 큰 크기 때문에, 큰 열 부하, 쉘 측면 액체 유동, 또는 효율적인 쉘 측면 직교류 여과에 대해 열가소성 열 교환기를 사용하는 것은 비현실적이다. 금속 열 교환기는 화학 약품의 부식 특성 때문에 그리고 처리 액체로부터 금속 및 입자 불순물을 제거하는 필요성 때문에 반도체 제조 시의 사용에 대해서는 허용되지 않는다. 필요한 것은 큰 표면적, 균일한 섬유 간격, 및 최소의 체적을 구비한 열 교환, 물질 전달, 또는 직교류 여과를 위한 열가소성 장치이다. 장치는 배플에 대한 요구를 제거해야 한다.
본 출원은 유체 교환 장치라는 명칭으로 2001년 10월 1일자로 출원된 가특허 출원 제60/326,234호에 기초한다. 본 출원은 출원인의 참조 번호 200100293(구 MYKP-621)로 2001년 10월 1일자로 출원된 미국 특허 출원 제60/326,357호로서 본 출원과 동시에 출원된 공동 계류 중인 출원과 관련된다.
본 발명은 열 전달, 입자 여과, 및 물질 전달 분야에 대해 유용한 중공 튜브 또는 중공 섬유 박막 교환 장치에 관한 것이다. 장치는 이미 합연(plaiting)되어 합연부를 고정하도록 열 어닐링되어 용융 결합된 중공 튜브를 포함하는 하우징을 포함한다. 장치는 합연된 중공 튜브에 의해 제공되는 증대된 유체 유동 분포를 갖는 중공 튜브의 높은 패킹 밀도를 갖는다. 장치는 배플에 대한 요구가 없이 작은 부피 내에서 큰 접촉 면적을 제공한다. 장치는 화학적으로 불활성인 열가소성 재료로부터 만들어지고 고온에서 유기 액체와 부식성 및 산화성 액체에서 작동할 수 있는 능력을 갖는다.
도1의 (A) 내지 도1의 (D)는 꼬여서 편조된 중공 튜브의 예를 도시하는 개략도이다.
도2a는 열가소성 수지 내로 융합된 비환상의 중공 튜브를 구비한 교환 장치의 단면의 개략도이다.
도2b는 유체 입구 및 출구 연결부를 갖는 열가소성 수지 내로 융합된 비환상의 중공 튜브를 구비한 교환 장치의 단면의 개략도이다.
도2c는 유체 입구 및 출구 연결부와 유체 연결부를 구비한 하우징을 갖는 열가소성 수지 내로 융합된 비환상의 중공 튜브를 구비한 교환 장치의 단면의 개략도이다.
도3은 유체 입구 및 출구 연결부와 유체 연결부를 구비한 하우징을 갖는 열가소성 수지 내로 융합된 꼬인 중공 튜브를 구비한 교환 장치의 단면의 개략도이다.
도4는 유체 입구 및 출구 연결부와 유체 연결부를 구비한 하우징을 갖는 열가소성 수지 내로 융합된 편조된 중공 튜브를 구비한 교환 장치의 단면의 개략도이다.
도5는 유체 입구 및 출구 연결부와 유체 연결부를 구비한 하우징을 갖는 열가소성 수지 내로 융합된 편조된 중공 튜브를 구비한 교환 장치의 단부도를 도시하는 개략도이다.
도6은 예2 및 예3에서 설명되는 열 교환기의 성능을 상술하는 표이다.
도7은 본 발명의 방법을 사용하여 열가소성 수지 내로 용융 결합된 중공 튜브 단부의 현미경 사진이다.
도8은 예6에서 설명되는 20-튜브 열 교환기의 성능을 상술하는 표이다.
도9는 예7에서 설명되는 680-튜브 열 교환기의 성능을 상술하는 표이다.
본 발명은 물질 전달, 열 교환, 또는 직교류 입자 여과에 유용한 큰 표면적을 구비한 장치를 제공한다. 장치는 열가소성 재료로 구성되며, 단일화된 말단 블록을 형성하도록 열가소성 수지 내로 용융 결합된 중공 열가소성 섬유 또는 중공 튜브를 포함한다. 선택적으로, 단일화된 말단 블록을 포함하는 장치는 중공 섬유 또는 중공 튜브를 가로질러 접촉되는 처리 및 작업 유체를 위한 유체 입구 및 유체 출구 연결부를 갖는 열가소성 하우징 내로 용융 결합된다. 장치의 제조 방법이 제공되고 설명된다. 장치의 사용 방법도 제공되고 설명된다.
일 실시예에서, 장치 내의 중공 튜브들은 단일화된 말단 블록을 형성하도록 열가소성 수지 내로 용융 결합되기 전에 서로 편조되거나 합연되거나 꼬여서 튜브 또는 섬유의 코드를 생성한다. 그러한 코드는 배플링에 대한 요구가 없이 장치를 통한 유체의 증대된 유동 분포를 제공한다. 중공 튜브 또는 코드의 높은 패킹 밀도가 본 발명에 의해 달성된다.
다른 실시예에서, 중공 튜브 또는 섬유를 포함하는 코드는 용융 결합 공정 이전에 중공 튜브 또는 섬유의 꼬임, 합연, 또는 편조의 형상을 제 위치에 고정하도록 오븐 내에서 어닐링된다. 또는, 중공 튜브 또는 코드는 로드, 다른 중공 튜브, 또는 형판 둘레에 권선될 수 있으며, 중공 튜브 또는 코드의 형상은 형판에 의한 열 어닐링에 의해 고정될 수 있다. 편조되거나 꼬인 코드는 랙(rack) 상에 권취되고 열 어닐링되어, 코드의 합연부, 기하학적 형상, 및 길이를 고정할 수 있다. 편조되거나 꼬인 코드는 연속적인 코드의 다발로서 랙으로부터 제거된 다음 단일화된 말단 블록을 형성하도록 열가소성 수지 내로 용융 결합된다. 다른 실시예에서, 어닐링된 코드는 풀려서 개별적인 비환상(non-circumferential)의 중공 튜브 또는 섬유를 제공할 수 있다. 이러한 개별 중공 튜브는 다발로서 열가소성 수지 웰(well) 내로 용융 결합된다. 선택적으로, 어닐링된 코드 또는 단일화된 말단 블록 내의 개별적인 비환상의 중공 튜브 또는 섬유는 장치에 의해 교환되는 처리 및 작업 유체를 위한 유체 입구 및 유체 출구 연결부를 갖는 열가소성 하우징에 용융 결합된다.
본 발명은 열 및 물질 전달 작업 및 다른 상 분리 적용을 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 편조되거나 꼬인 열가소성 중공 튜브 또는 중공 섬유를 포함하는 장치에 용융 결합되는 단일화된 말단부 블록을 만들기 위한 방법을 설명한다. 코드는 본 발명의 실시하는 데 있어서 본 발명의 방법에 의해 열가소성 수지의 웰 내로 충진되거나 융합될 수 있는 유닛을 형성하도록 서로 꼬이거나 합연되거나 편조된 하나 이상의 섬유 및/또는 튜브로서 언급된다. 용융 결합은 열가소성 중합체에 의해 수행된다. 본 발명은 비다공성 폴리(테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로메틸비닐에테르) 중공 튜브에 관해 설명될 것이지만, 본 발명은 이하에서 통상 중공 튜브로서 언급될 것인 다양한 열가소성 튜브 및/또는 다공성 섬유 박막을 사용하여 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 발명은 폴리(테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로메틸비닐에테르) 중공 튜브의 꼬임 쌍에 관해 설명되지만, 본 발명은 이하에서 코드로서 언급되는 것을 형성하도록 꼬이거나 제직되거나 합연되거나 편조되는 다양한 중공 튜브 또는 중공 섬유를 사용하여 이루어질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 마지막으로, 본 발명은 열 교환을 위한 장치에 관해 설명되지만, 다공성 중공 튜브 또는 중공 섬유를 이용하는 유사한 장치가 물질 전달 및 직교류 여과 분야에서 사용하기 위해 만들어질 수 있다.
본 발명을 목적으로, 단일한 권선되지 않은 어닐링된 튜브가 비환상의 튜브로 고려된다. 비환상의 튜브는 튜브의 일단부로부터 타 단부로 이동하는 종방향 축 상에서 연속적으로 환상이 아닌 외부 치수를 구비한 튜브이다. 예는 나선형 코일, 단일한 권선되지 않은 어닐링된 섬유 또는 그러한 조건에서 압출된 튜브와 같은 영구 꼬임 중공 원형 튜브, 삼각형 형상의 튜브 또는 섬유, 사각형 형상의 튜브 또는 섬유, 또는 정사각형 형상의 튜브 또는 섬유를 포함하지만 그에 제한되지 않는다.
중공 튜브 또는 섬유의 편조, 합연, 꼬임, 또는 비환상의 기하학적 형상은 중공 튜브를 가로지른 그리고 그 내에서의 증대된 유동 분포를 제공한다. 장치는 배플에 대한 요구가 없이 작은 체적 내에서 큰 유체 접촉 면적을 제공한다. 구조물의 화학적으로 불활성인 재료를 구비한 장치의 단일한 또는 단일화된 말단 블록 구조물은 o-링에 대한 요구를 제거하며 상승된 온도에서 다양한 유체에 의한 장치작동의 사용을 허용한다.
둘 이상의 중공 튜브가 손으로 또는 상용의 권취 및 편조 장비를 사용함으로써 코드로 합연되거나 꼬이거나 편조될 수 있다. 본 발명을 실시하는 데 있어서, 복수의 중공 튜브가 중공 튜브의 매트를 형성하도록 서로 제직될 수 있다. 본 명세서 및 첨부된 청구범위를 목적으로, 매트 및 코드라는 용어는 교환 가능하게 사용된다. 코드 내의 305 mm(피트)당 튜브의 꼬임수는 도1A에 도시된 바와 같이 거리(λ1)에 의해 정의된다. 도1의 (A)에서, 두 개의 튜브가 서로 꼬여서 도시되어 있지만, 임의의 수의 튜브가 코드를 형성하도록 서로 꼬일 수 있다. 도1의 (A)에서, 파라미터(λ1)는 중공 튜브(12)와 함께 꼬인 중공 튜브(10)의 정점에서 정점까지 또는 만곡부에서 만곡부까지의 거리를 설명한다. 더 작은 값의 파라미터(λ), 예를 들어 도1의 (B)의 파라미터(λ2)는 중공 튜브(14, 16)들 사이에서 더 많은 수의 꼬임부 또는 만곡부를 설명한다. 둘 이상의 중공 튜브가 코드를 형성하도록 서로 편조될 수 있다. 도1의 (C)에서 개별 튜브(18, 20, 22)에 대해 도시된 바와 같은 편조된 중공 튜브에 대해, 코드 밀착성의 치수는 파라미터(λ3)에 의해 설명된다. 개별 중공 튜브(24, 26, 28)는 도1의 (D)에 도시된 바와 같이 더욱 밀착되어 편조되고, 따라서 파리미터(λ4)는 λ3보다 작다. λ의 값은 305 mm(피트)당 1개 내지 305 mm(피트)당 50개의 범위, 양호하게는 305 mm(피트)당 5 내지 25개의 정점 또는 만곡부의 양호한 범위일 수 있다. 코드를 형성하도록 서로 꼬이거나 편조된중공 튜브의 개수는 2 내지 100개의 범위일 수 있지만, 더욱 양호하게는 2 내지 10개의 중공 튜브이다.
본 발명은 도2a를 참조하여 더욱 상세하여 설명된다. 도2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 개별 열가소성 비환상의 튜브(36, 38, 40)의 각각의 단부의 일부는 두 개의 단일한 단부 또는 단일화된 말단부 블록 구조물(32, 34)을 형성하도록 열가소성 수지와 유체 밀봉 방식으로 용융 결합된다. 임의의 개수의 열가소성 중공 튜브가 열가소성 수지 내로 융합될 수 있다. 도2b는 단부 캡(44, 46)을 구비한 단일화된 말단부 블록(34, 32)에 결합된 유체 연결 포트(40, 42)를 더 포함하는 교환 장치의 단면을 도시한다. 단부 캡 및 유체 커넥터는 제1 유체가 도시되지 않은 공급원으로부터 중공 튜브(36, 38, 40)를 통해 유동하는 것을 허용한다. 본 발명의 전형적인 중공 튜브 또는 중공 섬유(38)의 두 측면은 표면(37, 39)에 의해 더욱 특징지어 진다. 도2c는 단일화된 말단부 블록(32, 34)에 결합되어 하나 이상의 유체 커넥터 포트(48, 50)를 갖는 하우징(52)을 더 포함하는 교환 장치의 단면을 도시한다.
도3에서, 교환 장치의 실시예는 꼬인 중공 튜브의 코드를 더 포함하는 것으로 도시되어 있다. 이러한 도면의 코드는 중공 튜브(54, 56; 58, 60; 62, 64)로 구성된다. 각각의 코드의 단부의 일부는 열가소성 수지와 유체 밀봉 방식으로 용융 결합되어 단일화된 말단부 블록(32, 34)을 형성한다. 장치는 단일화된 말단부 블록에 결합된 선택적인 하우징(52) 및 단부 캡(44, 46)을 가질 수 잇다. 도3에서, 적어도 하나의 유체 유동 분배기(66)가 선택적으로 하우징 유체 연결 포트(48,50) 중 하나 이상 내로 끼워 맞춰지거나 나사 결합되거나 결합될 수 있다.
도4에서, 교환 장치의 실시예는 편조된 중공 튜브의 코드를 더 포함하는 것으로 도시되어 있다. 이러한 도면의 코드는 70 및 72에 의해 도시된 코드를 형성하도록 서로 편조된 셋 이상의 중공 튜브로 구성된다. 각각의 코드의 단부는 열가소성 수지와 유체 밀봉 방식으로 용융 결합되어 단일화된 말단부 블록(32, 34)을 형성한다. 장치는 단일화된 말단부 블록에 결합된 선택적인 하우징(52) 및 단부 캡(44, 46)을 가질 수 있다. 도4에서, 적어도 하나의 유체 유동 분배기(66)가 선택적으로 하우징 유체 연결 포트(48, 50) 중 하나 이상 내에 끼워 맞춰지거나 나사 결합되거나 결합될 수 있다. 도4에 도시된 교환 장치의 단부도가 도5에 개략적으로 도시되어 있다.
도3을 참조하면, 열 교환기인 본 발명의 일 실시예의 작동이 설명될 것이다. 제1 유체는 유체 연결 포트(42)를 통해 교환 장치로 진입하여 단일화된 말단부 블록(32) 내의 개구(61)에서 중공 튜브로 진입한다. 유체는 중공 튜브의 내부 또는 루멘을 통해 유동하여 출구 개구(63)에서 단일화된 단부 블록(34)을 통해 튜브를 빠져 나온다. 제1 유체는 유체 연결 포트(40)를 통해 교환 장치를 빠져 나온다. 제2 유체는 하우징 유체 포트(48) 및 선택적인 유동 분배기(66)를 통해 교환 장치로 진입한다. 제1 유체는 중공 튜브의 두 개의 표면 및 벽에 의해 제2 유체로부터 분리된다. 제2 유체는 연결부(48)를 통해 하우징으로 진입하여 하우징의 내측 벽과 섬유의 외경부 사이의 공간을 실질적으로 충전한다. 에너지가 열가소성 중공 튜브 벽을 통해 제1 및 제2 유체들 사이에서 전달된다. 제2 유체는 유체 커넥터포트(50)를 통해 하우징을 빠져 나온다. 유체의 예는 액체, 액체의 증기, 가스, 및 초임계 유체를 포함한다.
제조사는 다양한 재료로부터 박막을 제조하고, 가장 일반적인 등급은 합성 중합체이다. 합성 중합체의 중요한 등급은 가열되면 유동되어 성형될 수 있고 냉각되면 그의 원래의 고체 특성을 회복할 수 있는 열가소성 중합체이다. 튜브 또는 박막이 사용되고 있는 적용 조건이 더욱 엄격해짐에 따라, 사용될 수 있는 재료가 한정된다. 예를 들어, 초소형 전자 제품 산업에서 물 코팅을 위해 사용되는 유기 용제계 용액은 몇몇의 중합체 튜브 및 박막을 용해 또는 팽창시키며 약화시킬 것이다. 동일한 산업에서의 고온 탈거 조는 보통의 중합체로 만들어진 박막 및 튜브를 파괴하는 강한 산성 및 산화성 화합물로 구성된다.
0.178 내지 12.7 mm(0.007 내지 0.5 인치), 더욱 양호하게는 0.635 내지 2.54 mm(0.025 내지 0.1 인치) 직경 범위의 외경과, 0.0254 내지 0.254 mm(0.001 내지 0.1 인치), 양호하게는 0.0762 내지 1.27 mm(0.003 내지 0.05 인치) 두께 범위의 벽 두께를 구비한 열가소성 수지로부터 만들어진 중공 튜브는 본 발명을 실시하는 데 있어서 유용하다. 튜브는 개별적으로 사용될 수 있거나, 또는 튜브는 다중 중공 튜브로 구성된 코드를 형성하도록 편조되거나 합연되거나 꼬임으로써 조합될 수 있다.
본 발명을 실시하는 데 있어서 유용한 과불소 처리된 열가소성 수지 또는 이의 혼합물의 예는 폴리테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로메틸비닐에테르(MFA), 폴리테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로프로필비닐에테르(PFA), 폴리테트라플루오로에틸렌-코-헥사플루오로프로필렌(FEP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 포함하지만 그에 제한되지 않는다. PFA 테프론및 FEP 테프론열가소성 수지는 델라웨어주 윌밍톤의 듀폰(DuPont)에 의해 제조된다. 네오프론PFA는 다이킨 인더스트리즈(Daikin Industries)로부터 구입 가능한 중합체이다. MFA 하프론은 뉴저지주 쏘로페어의 오시몬트 유에스에이 인크.(Ausimont USA Inc.)로부터 구입 가능한 중합체이다. 예비 성형된 MFA 하프론및 FEP 테프론튜브는 사우쓰 캐롤라이나주 오랜지베리의 제우스 인더스트리얼 프로덕츠 인크.(Zeus Industrial Products Inc.)로부터 구입 가능하다. 본 발명을 실시하는 데 있어서 유용한 다른 열가소성 수지 또는 이의 혼합물은 폴리(클로로트리플루오로에틸렌 비닐리덴 플루오라이드), 폴리비닐클로라이드, 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀, 폴레에틸렌, 폴리메틸펜텐, 초고분자량 폴레에틸렌, 폴리아마이드, 폴리술폰, 폴리에테르에테르케톤, 및 폴리카보네이트를 포함하지만 그에 제한되지 않는다.
중공 열가소성 튜브는 그의 열 전도성을 증가시키도록 열 전도성 분말 또는 섬유로 함침될 수 있다. 유용한 열 전도성 재료의 예는 유리 섬유, 금속 질화물 섬유, 실리콘 및 금속 탄화물 섬유, 또는 그래파이트를 포함하지만 그에 제한되지 않는다. 본 발명에서 유용한 중공 열가소성 튜브 또는 함침된 열가소성 중공 튜브의 열 전도성은 0.05 W/m/°K보다 더 크다.
입자 여과와, 가스 접촉, 액체 탈기, 및 과증발과 같은 물질 전달 분야에 대해 본 발명을 실시하는 데 있어서 유용한 중공 튜브는 중공 섬유 박막을 포함한다.적합한 박막은 매사추세츠주 빌레리카의 마이크롤리스 코포레이션(Mykrolis Corporation)으로부터 구입 가능한 폴리테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로프로필비닐에테르(PFA) 또는 초고분자량 폴레에틸렌으로부터 만들어진 중공 섬유를 포함한다.
양호한 실시예에서, 꼬이거나 합연되거나 편조된 튜브는 연속적인 코드를 형성한다. 코드는 WO 00/44479호에 설명된 바와 같이 사각형 금속 프레임 둘레에 권취될 수 있으며, 평행한 측면들 사이의 거리는 교환 장치의 길이를 한정한다. 금속 프레임 상에 감긴 코드는 중공 튜브의 융점 아래에서 오븐 내에 위치된다. 튜브는 그의 융점 아래의 온도에서 열 어닐링된 다음 냉각되어 코드로 편조되거나 합연되거나 꼬인 튜브 내의 정점 및 만곡부를 고정한다. 코드 튜브의 어닐링은 보통 250℃보다 낮은 온도, 더욱 양호하게는 100 내지 200℃인 융점 아래에서 15 내지 60분, 더욱 양호하게는 30분 동안 일어난다. 다른 실시예에서, 꼬이거나 합연되거나 편조된 튜브는 스풀 상에서 어닐링될 수 있다.
다른 실시예에서, 편조되거나 꼬인 튜브는 제1 단계에서 열 어닐링될 수 있고, 그 다음 개별 튜브는 냉각 후에 서로로부터 분리되어 자립식 나선 형상 또는 비환상 형태의 단일 튜브를 형성한다. 열 어닐링은 개별 중공 튜브 또는 코드가 직선화되지 않고서 분리 및 처리될 수 있도록 중공 튜브의 정점 및 만곡부를 고정한다.
본 발명의 일 실시예에서, 중공 튜브의 열 어닐링되어 고정된 코드는 본원에서 전체적으로 참조된 미국 특허 제3,315,750호에서 설명된 방법에 의해 연결될 수있다. 코드는 또한 본원에서 전체적으로 참조된 유럽 특허 출원 제0 559 149 A1에서 설명된 사출 성형 방법에 의해 서로에 대해 그리고 하우징에 연결될 수 있다. 양호한 실시예에서, 본원에서 전체적으로 참조된 1999년 1월 29일자로 출원된 미국 특허 출원 제60/117,853호 및 WO 00/44479호에서 설명된 방법은 본 발명을 실시하는 데 있어서 유용하다.
본 발명을 실시하는 데 있어서 단일화된 말단부 블록 또는 단일한 단부 구조물이라는 용어는 하나 이상의 중공 튜브 또는 코드가 결합 또는 용융 결합되는 열가소성 수지의 질량체 또는 웰을 설명하는 것이다. 도7은 단일화된 말단부 블록 구조물을 형성하도록 열가소성 수지에 용융 결합된 중공 튜브 및 열가소성 수지에 용융 결합되지 않은 중공 튜브의 예를 도시한다. 미국 특허 출원 제60/117,853호는 열가소성 수지에 결합된 중공 섬유를 설명한다. 선택적으로, 유체 커넥터 포트를 갖는 열가소성 단부 캡 또는 열가소성 하우징은 단일화된 말단부 블록 중 하나 이상에 용융 결합될 수 있다. 본 발명을 예시할 목적으로, 중공 튜브, 열가소성 수지, 및 열가소성 하우징을 포함하는 단일화된 말단부 블록이 설명된다. 과불소 처리된 열가소성 재료만으로 구성된 단일체를 형성하는 하우징은 우선 충진 및 결합 단계 전에 하우징의 양 단부의 표면을 선처리함으로써 준비된다. 편조되거나 꼬인 튜브 및 충진물이 하우징에 결합되어 과불소 처리된 열가소성 재료로만 구성된 단일체를 형성하는 것을 의미하는 단일화된 말단부 블록 단부 구조물은 충진 및 결합 단계 전에 우선 하우징의 양 단부의 표면을 선처리함으로써 준비된다. 이는 하우징에 충진 재료를 용융 결합시킴으로서 수행된다. 하우징의 양 단부의 내부표면은 그의 융점에 가깝게 또는 융점으로 가열되고, 뉴저지주 쏘로페어의 오시몬트 유에스에이 인크.로부터 구입 가능한 분말의 폴리테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로메틸비닐에테르 열가소성 충진 수지를 담고 있는 컵 내로 즉시 침지된다. 하우징의 표면 온도가 충진 수지의 융점보다 더 높으므로, 충진 수지는 열가소성 하우징에 융합된다. 하우징은 그 다음 취출되어 임의의 과잉의 용융되지 않은 열가소성 분말을 용융시키기 위해 열풍기로 폴리싱된다. 튜브의 각각의 단부가 이러한 선처리에 의해 적어도 두 번 처리되는 것이 양호하다.
어닐링되고 꼬인 중공 튜브 코드는 폴리(테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로(알키비닐에테르)), 테프론PFA 또는 MFA 쉘 튜브 내로 삽입된다. 쉘 튜브는 선택적으로 입구 및 출구 포트를 형성하도록 그의 표면에 용융 결합된 유체 피팅을 갖는다. 쉘 튜브 내의 튜브 코드의 패킹 밀도는 3 내지 99 체적%, 더욱 양호하게는 20 내지 60 체적%의 범위 내에 있어야 한다.
튜브 코드의 하우징 내로의 충진 및 결합은 하나의 단계에서 행해질 수 있다. 양호한 열가소성 수지 충진 재료는 뉴저지주 쏘로페어의 오시몬트 유에스에이 인크.로부터 구입 가능한 하이프론MFA 940 AX 수지이다. 방법은 적어도 하나의 폐쇄 단부를 구비한 어닐링되고 꼬인 중공 튜브 코드 길이의 다발의 일부를 용기 내에 유지되는 용융된 열가소성 중합체의 풀(pool) 내에 만들어진 임시 리세스 내로 수직으로 위치시키는 단계를 포함한다. 중공 튜브는 한정된 수직 위치 내에 유지되어, 열가소성 중합체가 임시 리세스 내로 중공 튜브 둘레로 그리고 섬유를 따라 위로 유동하여 섬유들 사이의 사이공간을 완전히 충전하도록 열가소성 중합체를용융 상태로 유지한다. 임시 리세스는 중공 튜브 다발을 제 위치에 위치 및 고정시키기에 충분한 시간 동안 용융된 충진 재료 내의 리세스로서 유지되는 리세스이며, 그 다음 용융된 열가소성 수지에 의해 채워질 것이다. 리세스의 임시적인 특성은 충진 재료가 유지되는 온도, 충진 재료가 중공 튜브 다발 배치 중에 유지되는 온도, 및 충진 재료의 물리적인 특성에 의해 제어될 수 있다. 중공 튜브의 단부는 밀봉 또는 플러깅에 의해, 또는 양호한 실시예에서는 루프로 형성됨으로써 폐쇄될 수 있다.
장치의 제1 단부가 충진되어 중공 튜브, 하우징, 및 열가소성 수지를 포함하는 단일화된 말단부 블록 내로 융합되면, 장치의 제2 단부가 충진된다. 공정은 충진 수지를 가열 컵 내에서 외부 가열 블록 또는 다른 열원에 의해 약 265℃ 내지 약 285℃의 범위, 양호하게는 약 270℃ 내지 약 280℃의 범위의 온도로 용융물이 투명하게 되고 포착된 버블이 없어질 때까지 가열하는 단계를 포함한다. 로드가 리세스 또는 공동을 생성하도록 용융물 내로 삽입된다. 하우징 및 중공 튜브 다발이 그 다음 공동 내로 삽입된다. 이 시점에서 중공 튜브 다발 및 하우징은 충진 수지와 접촉하지 않는다는 것을 아는 것이 중요하다. 용융된 수지는 중력에 의해 일정 시간에 걸쳐 유동하여 틈을 메우고, 동시에 중공 튜브를 충진하여 하우징에 결합시킨다. 충진된 단부는 냉각된 후에 절단되고 중공 튜브의 루멘이 노출된다. 충진된 표면은 그 다음 훼손되거나 거칠게 충진된 표면을 융용 제거하기 위해 열풍기를 사용하여 폴리싱된다. 2000개 이상의 많은 중공 튜브를 구비한 모듈에 대해, 모듈은 손상된 영역을 용융시켜 폐쇄하도록 깨끗한 땜납철을 이용하여 수선될 수있는 충진 결함을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 중공 튜브로 구성된 나선형 코드를 충진하는 데 유용하다. 꼬이거나 편조된 중공 튜브의 각각의 단부는 제1 단계에서 금속 주형 내에 충진된다. 주형은 쉘 튜브의 내경보다 약간 더 작고 알루미늄 또는 니켈 또는 유사한 합금으로부터 만들어질 수 있다. 충진 및 냉각 후에, 주형이 제거된다. 단일화된 말단부 블록 내의 중공 튜브의 단부는 전술한 바와 같이 절단에 의해 개방된다. 중공 튜브의 양 단부가 충진된 후에, 형성된 단일화된 말단부 블록 구조물은 미리 가열된 MFA 또는 PFA 쉘 하우징 튜브 또는 단부 캡 내로 삽입되고, 단일화된 말단부 블록은 짧은 가열 공정으로 하우징 튜브 또는 단부 캡에 융합된다.
도3에 도시된 본 발명의 양호한 실시예에서, 적어도 하나의 열가소성 튜브(66)는 교환 장치의 쉘 측면 상의 유체 피팅(48) 중 적어도 하나 내로 삽입된다. 튜브가 피팅에 가장 가까운 튜브 다발의 부분 내로 위치되는 것이 양호하다. 튜브는 하우징에 열 결합되거나 쉘 피팅 내로 끼워 맞춰질 수 있다. 튜브는 장치 내에서 유체의 개선된 유동 분포를 제공한다.
본 발명의 장치를 작업 및 처리 유체의 공급원에 연결하는 데 유용한 유체 피팅은 플레어텍, 필라, 스와게로크, VCO, 표준 파이프 나사 피팅, 또는 바브 피팅을 포함하지만 그에 제한되지 않는다. 양호한 실시예에서, 두 개의 유체 연결부가 처리 유체에 대해 제공되고, 하나는 장치 내로의 유체의 유동을 위한 입구 연결부이고, 하나는 장치로부터의 유체의 유동을 위한 출구 연결부이다. 처리 유체는 튜브를 통해서 또는 튜브의 외부를 가로질러 유동할 수 있다. 처리 유체를위한 입구 및 출구 연결부는 용접, 나사 결합, 플랜징, 또는 열가소성 수지에 대한 용융 결합에 의해 단일화된 말단부 블록에 결합될 수 있다. 하우징이 교환 장치에 대해 제공되면, 처리 유체를 위한 입구 연결부는 하우징 및/또는 단일화된 말단부 블록에 용접, 나사 결합, 또는 플랜징에 의해 결합될 수 있다. 양호한 실시예에서, 연결부는 하우징 및/또는 단일화된 말단부 블록에 용융 결합된다. 하나 이상의 유체 연결부가 하우징을 통한 작업 유체의 유동 또는 하우징으로부터의 여과된 액체의 유동을 위해 제공될 수 있다. 하우징을 통한 작업 유체 또는 여과된 액체의 유동을 위한 하나 이상의 연결부는 용접, 나사 결합, 또는 플랜징에 의해 하우징에 결합될 수 있다. 양호한 실시예에서, 연결부는 하우징에 용융 결합된다.
일반 절차
1.19 mm(0.047 인치) 내경 및 0.152 mm(0.006 인치) 벽두께를 갖는 미리 형성된 중공 MFA 튜브를 사우쓰 캐롤라이나주 오렌지베리의 제우스 인더스트리얼 프로덕츠 인크.로부터 구입하였다. 충진을 위한 코드가 코드의 305 mm(피트)당 약 12회의 회전을 얻기 위해 이러한 중공 MFA 튜브의 쌍을 손으로 꼬아서 만들어졌다. 단일 코드가 203 mm(8 인치) 폭 및 457 내지 686 mm(18 내지 27 인치) 길이의 금속 프레임 둘레에 권선되었고, 금속 프레임 상에 코드의 약 75회 권선을 이루는 것이 가능했다. 프레임 및 권선된 코드는 오븐 내에서 30분 동안 150℃에서 어닐링되었다. 길이가 각각 457 내지 686 mm(18 내지 27 인치)로 측정된 코드의 약 75개의 루프가 어닐링 후에 랙으로부터 얻어졌다. 단일 랙 또는 다중 랙으로부터의 코드가 모아져서 미리 열처리되고 MFA 코팅된 길이가 406 내지 635 mm(16 내지 25 인치)로 측정된 PFA 튜브 내로 위치되었다. 튜브의 내경은 25.4 내지 57.2 mm(1 내지 2.25 인치)였고, ¼" 플레어텍유체 피팅이 PFA 튜브의 각각의 단부로부터 대략 50.8 mm(2 인치)에 결합되었다. 장치의 각각의 단부는 뉴저지주 쏘로페어의 오시몬트 유에스에이 인크.로부터 구입한 하이프론MFA 940 AX 수지를 사용하여 약 40시간 동안 275℃에서 충진되었다. 40시간 충진 후에 각각의 단부의 냉각은 150℃까지 0.2℃/min의 속도로 제어되었다. 단일화된 말단 블록 단부는 수지가 제거되었고 중공 튜브는 선반 또는 나이프를 사용하여 충진된 장치의 단부를 가공함으로써 개방되었다. 충진된 교환기를 위한 유체 피팅은 튜브의 각각의 단부 상에 파이프 나사를 새김으로써 또는 튜브 상으로 단부 캡을 열 융합시킴으로써 만들어졌다.
예1
25.4 mm(1 인치) 내경의 PFA 튜브를 구비한 하우징을 갖는 프로토타입 열 교환기가 튜브가 꼬이거나 어닐링되지 않았다는 점을 제외한 절차1에 의해 준비되었다. 장치는 길이가 381 mm(15 인치)로 측정된 직선 MFA 튜브의 150개의 튜브를 포함했다.
프로토타입은 다음과 같은 조건 하에서 시험되었다. 63℃ 온도의 고온수가 대략 1750 ml/min의 유속으로 장치의 튜브 측면 내로 공급되었다. 19℃ 온도의 저온수가 대략 1070 ml/min의 유속으로 장치의 쉘 측면 내로 공급되었다. 고온 및 저온 통로들은 서로에 대해 향류를 유동시켰다. 입구 및 출구 온도와 유속이 1시간 동안 튜브 및 쉘 측면 유체 스트림에 대해 5분마다 기록되었다. 이러한 실험으로부터의 결과가 도6에 도시된 표1에 상술되어 있다. 이러한 조건 하에서, 저온수는 18.9℃로부터 38.8℃로 가열되었고, 총 1486 와트의 에너지가 두 유체들 사이에서 교환되었다.
예2
25.4 mm(1 인치) 내경의 PFA 튜브를 구비한 하우징을 갖는 프로토타입 열 교환 장치가 305 mm(피트)당 약 12회의 꼬임으로 서로 꼬인 약 150개의 중공 MFA 튜브를 포함하는 점을 제외한 절차1에 의해 준비되었다. 꼬인 코드는 금속 랙 상에서 어닐링되어 길이가 약 381 mm(15 인치)로 측정된 대략 75개의 코드를 산출하였다.
프로토타입은 다음과 같은 조건 하에서 시험되었다. 55℃ 온도의 고온수가 대략 1650 ml/min의 유속으로 장치의 튜브 측면 내로 공급되었다. 19℃ 온도의 저온수가 대략 1070 ml/min의 유속으로 장치의 쉘 측면 내로 공급되었다. 고온 및 저온 통로들은 서로에 대해 향류를 유동시켰다. 입구 및 출구 온도와 유속이 1시간 동안 튜브 및 쉘 측면 유체 스트림에 대해 5분마다 기록되었다. 이러한 실험으로부터의 결과가 도6에 도시된 표1에 상술되어 있다. 이러한 조건 하에서, 저온수는 18.9℃로부터 44.0℃로 가열되었고, 총 1874 와트의 에너지가 두 유체들 사이에서 교환되었다.
예3
본 예는 본 발명의 교환 장치를 포함하는 웨이퍼 처리 공구가 반도체 웨이퍼를 세척하기 위해 사용되는 액체를 가열하는 데 어떻게 사용될 수 있는 지를 보여준다.
약 650개의 꼬인 중공 MFA 튜브 325쌍을 갖는 교환 장치는 절차1의 방법을 사용하여 열 어닐링되어 50.8 mm(2 인치) 내경의 PFA 튜브 내에 용융 결합될 수 있다. 장치의 길이는 약 457 mm(18 인치)이고 약 300 ml의 액체 체적을 갖는다. 장치는 웨이퍼 처리 공구의 일부이고 그의 입구 유체 연결부에서 약 1 체적%의 과산화수소를 함유하는 10% 염산 수용액의 공급원에 직렬로 연결된다. 교환 장치의 출구는 밸브, 선택적인 역류 방지 밸브, 및 산 수용액을 세척되어야 하는 기판 상으로 분배하기 위한 노즐에 연결된다. 교환 장치의 쉘 측면 상의 유체 입구 연결부 중 하나는 고온수 공급원에 직렬로 연결된다. 고온의 탈이온수가 반도체 공장에서 약 75℃ 온도에서 보편적으로 이용될 수 있다. 교환 장치의 쉘 측면을 통과하는 가열된 물은 교환 장치의 튜브 내에 담긴 산 용액을 가열한다. 유체 유동이 없는 가변 시간 후에, 교환 장치 출구의 밸브가 개방되어 가열된 산 수용액 및 산화제가 웨이퍼 상으로 분배되어 웨이퍼를 세척하는 데 사용된다. 밸브가 폐쇄되고, 산 용액 및 산화제는 교환 장치의 중공 튜브 내로 유동하여 다음의 분배를 위해 가열된다.
예4
본 예는 직교류 여과를 위한 교환기가 열 어닐링되고 합연된 다공성 중공 PFA 튜브를 이용하여 어떻게 만들어질 수 있는 지를 보여준다.
25.4 mm(1 인치) 직경의 PFA 튜브를 구비한 하우징을 갖는 프로토타입 여과 장치는 매사추세츠주 빌레리카의 마이크롤리스 코포레이션으로부터 구입 가능한550 미크론의 외경을 갖는 150개의 중공 다공성 PFA 섬유가 비다공성 중공 MFA 튜브를 대체한 점을 제외한 절차1에 의해 준비되었다. 중공 섬유는 스트랜드당 3회 합연될 수 있으며 길이가 381 mm(15 인치)로 측정된 랙 상에 권취될 수 있다. 합연되고 권취된 중공 섬유는 중공 섬유의 합연부 및 길이를 고정하도록 약 150℃에서 열 어닐링될 수 있다. 열 어닐링되고 합연된 중공 섬유는 WO 00/44479호에 개시된 방법에 따라 장치 내로 조립된다.
이러한 장치를 위한 하우징은 콜로이드, 겔, 또는 고형 입자와 같은 불용성 현탁 물질을 함유하는 유체의 유동을 위한 입구 및 출구 포트 연결부를 포함한다. 현탁된 고형 입자를 함유하는 유체의 예는 화학, 기계적 폴리싱 슬러리 내의 알루미나를 포함하고, 유체 내의 콜로이드의 예는 실리카를 포함할 수 있다. 불용성 현탁 물질을 함유하는 유체는 다공성 중공 섬유 튜브의 내부를 통해 유동한다. 하우징은 하우징으로부터의 여과된 액체의 유동을 위한 단일 유체 유동 포트 연결부를 갖는다. 현탁된 고체를 함유하는 액체의 일부는 합연된 다공성 중공 튜브를 가로질러 유동하고, 고체의 일부는 다공성 박막에 의해 보유되고 여과된 액체의 일부는 박막을 통해 하우징 상의 유체 포트로부터 외부로 유동한다.
예5
본 예는 액체 내로의 가스의 물질 전달을 위한 교환 장치가 열 어닐링되고 합연된 다공성 중공 PFA 튜브를 이용하여 어떻게 만들어질 수 있는 지를 보여준다.
25.4 mm(1 인치) 직경의 PFA 튜브를 구비한 하우징을 갖는 프로토타입 여과 장치는 매사추세츠주 빌레리카의 마이크롤리스 코포레이션으로부터 구입 가능한550 미크론의 외경을 갖는 150개의 중공 다공성 PFA 섬유가 150개의 중공 MFA 튜브를 대체한 점을 제외한 절차1에 의해 준비될 수 있다. 중공 섬유는 스트랜드당 3회 합연될 수 있으며 길이가 381 mm(15 인치)로 측정된 랙 상에 권취될 수 있다. 합연되고 권취된 중공 섬유는 튜브의 합연부 및 길이를 고정하도록 약 150℃에서 열 어닐링될 수 있다. 열 어닐링되고 합연된 중공 섬유는 WO 00/44479호에 개시된 방법에 따라 장치 내로 조립될 수 있다.
이러한 장치를 위한 하우징은 다공성 중공 섬유 튜브의 내부를 통한 탈이온수의 유동을 위한 입구 및 출구 포트 연결부를 가질 수 있다. 하우징의 두 개의 포트 중 하나는 오존 발생기, 예를 들어 매사추세츠주 워번의 아스텍스(Astex)로부터 구입 가능한 아스텍스 8400 오존 발생기에 의해 발생되는 오존 가스의 공급원에 연결되도록 사용될 수 있다. 오존 가스는 다공성의 합연된 중공 PFA 튜브를 통한 투과에 의해 물 속에 용해된다. 과잉의 오존 가스는 하우징의 제2 포트를 통해 배기된다. 튜브의 내부를 빠져 나온 물은 물 속에 용해된 오존 가스를 함유한다. 이러한 오존수는 변형된 RCA 세척 공정을 사용하여 웨이퍼를 세척하는 데 유용하다.
예6
본 예는 20개의 박벽 중공 PFA 튜브를 구비한 본 발명의 열 교환 장치를 설명한다. 장치는 유동하는 물을 직렬로 가열하는 데 사용되었다.
432 mm(17 인치) 길이 및 12.7 mm(0.5 인치) 외경의 PFA 튜브가 하우징 도관으로서 사용되었다. 하우징 도관은 입구 및 출구 포트를 가졌다. 하우징 도관은PFA 충진 재료를 사용하여 각각의 단부에서 0.15 mm의 벽두께를 갖는 26개의 1.05 mm 내경의 PFA 튜브에 용융 결합되었다. 두 개의 J형 열전쌍이 하우징을 통한 분리된 유동 내에 위치되었다. 하나의 열전쌍은 교환 장치 하우징 도관의 입구 포트에 연결되었고, 제2 열전쌍은 가열기 장치 하우징 도관의 출구 포트에 연결되었다. 작동 시에, 처리수는 입구 열전쌍 하우징을 통해 교환기 장치 하우징 내로 그리고 중공 튜브를 통해 유동한다. 작업 또는 교환 유체가 입구 열전쌍 하우징을 통해 향류 방식으로 하우징의 쉘 측면 내로 유동하여 중공 튜브의 외부와 접촉하였다. 교환 또는 작업 유체는 그 다음 하우징 도관의 쉘 측면 상의 출구 포트와 제2 출구 열전쌍 하우징을 통과한다. 교환 장치 튜브를 통해 유동하는 처리수는 제2 출구 열전쌍 하우징을 통해 튜브를 빠져 나온다. 장치의 쉘 측면 내로 유동하는 약 16℃ 온도의 물의 분당 1000 ml의 유속에서, 55.5℃ 온도에서 분당 260 ml의 유속으로 튜브 내로 유동하는 물은 튜브를 빠져 나올 때 33.1℃로 냉각되었다. 상이한 튜브 측면 유속에서의 이러한 장치의 성능이 도3에 요약되어 있다.
예7
본 예는 680개의 박벽 중공 MFA 튜브를 구비한 본 발명의 열 교환 장치를 설명한다. 장치는 유동하는 물을 직렬로 냉각시키는 데 사용되었다.
57.2 mm(2.25 인치) 내경 및 813 mm(32 인치) 길이를 갖는 PFA 하우징을 갖는 프로토타입 열 교환 장치가 305 mm(피트)당 약 12회의 꼬임으로 서로 꼬인 약 680개의 중공 MFA 튜브를 포함하는 점을 제외한 절차1에 의해 준비되었다. 꼬인 코드는 금속 랙 상에서 어닐링되어 길이가 약 864 mm(34 인치)로 측정된 코드를 산출하였다. 하우징 쉘 측면 상의 입구 유체 피팅들은 ½" 플레어텍이었고, 이들은 686 mm(27 인치) 이격되었으며 장치의 단부로부터 63.5 mm(2.5 인치)였다. 튜브 측면 유동을 위한 하우징 유체 피팅은 ¾" 플레어텍이었고 하우징 튜브에 용융 결합되었다.
프로토타입은 다음과 같은 조건 하에서 시험되었다. 70.1℃ 온도의 고온수가 대략 분당 4.4 리터의 유속으로 장치의 튜브 측면 내로 공급되었다. 14.5℃ 온도의 저온수가 대략 분당 6.6 리터의 유속으로 장치의 쉘 측면 내로 공급되었다. 고온 및 저온 통로들은 서로에 대해 향류를 유동시켰다. 입구 및 출구 온도와 유속이 애질런트(Agilent) 데이터 등록기를 사용하여 기록되었다. 이러한 실험으로부터의 결과가 도9의 표에 상술되어 있다. 이러한 조건 하에서, 튜브 내의 고온수는 70.1℃로부터 22.9℃로 냉각되었고, 총 14,400 와트의 에너지가 두 유체들 사이에서 교환되었다. 다른 유속에서의 이러한 장치의 성능이 도9에 요약되어 있다.

Claims (26)

  1. 교환 장치이며,
    a) 코드로 구성되고 비환상을 갖는 그룹으로부터 선택된 구조를 갖고, 두 개의 단부와 이들 사이를 통과하는 중공부를 각각 갖는 복수의 열가소성 중공 튜브를 포함하고,
    b) 상기 중공 튜브의 상기 단부 중 적어도 하나는 적어도 그의 주연부에서 열가소성 수지를 통해 용융 결합되어 단일화된 말단부 블록을 형성하고, 단일화된 말단부 블록 내에서 상기 중공 튜브의 단부들은 열가소성 수지에 의해 융합되는 방식으로 서로 유체 밀봉되게 결합되고,
    c) 상기 단일화된 말단부 블록은 상기 튜브의 결합되지 않은 부분의 중공부와의 관통 구멍 연통부를 갖고,
    d) 상기 단일화된 말단부 블록은 제1 유체를 상기 중공 튜브로 공급하기 위한 제1 유체 입구 연결부와, 상기 제1 유체를 상기 중공 튜브로부터 제거하기 위한 제1 유체 출구 연결부를 갖고,
    e) 상기 중공 튜브를 포함하는 상기 단일화된 말단부 블록 중 적어도 하나에 용융 결합된 하우징을 추가로 포함하고,
    f) 상기 하우징은 하우징을 통해 제2 유체를 전달하는 적어도 하나의 연결 포트를 갖는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 열가소성 중공 튜브는 비환상인 장치.
  3. 제1항에 있어서, 열가소성 중공 튜브는 코드로 합연되는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 열가소성 중공 튜브는 코드로 합연되고, 코드는 합연부를 고정하도록 열 어닐링되는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 중공 튜브는 폴리테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로메틸비닐에테르, 폴리테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로프로필비닐에테르, 폴리테트라플루오로에틸렌-코-헥사플루오로프로필렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐, 및 초고분자량 폴리에틸렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 열가소성 수지 또는 그의 혼합물로 구성되는 장치.
  6. 제1항에 있어서, 열가소성 중공 튜브는 다공성인 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 튜브는 열 전도성 재료로 함침되는 장치.
  8. 교환 장치의 제조 방법이며,
    a) 제1 단부 및 제2 단부를 갖고 적어도 하나의 코드를 형성하도록 합연된 복수의 열가소성 중공 튜브로 구성된 다발을 형성하는 단계와,
    b) 열가소성 중공 튜브의 하나 이상의 상기 다발의 제1 단부를 제1 단일화된 말단부 블록을 형성하도록 열가소성 수지와 융합시키는 단계와,
    c) 열가소성 중공 튜브의 하나 이상의 상기 다발의 제2 단부를 제2 단일화된 말단부 블록을 형성하도록 열가소성 수지와 융합시키는 단계와,
    d) 열가소성 수지와 융합된 중공 튜브를 통한 유체 유동을 제공하기 위해 제1 및 제2 단일화된 말단부 블록의 튜브 단부를 개방하는 단계를 포함하고,
    상기 튜브는 폴리테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로메틸비닐에테르, 폴리테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로프로필비닐에테르, 폴리테트라플루오로에틸렌-코-헥사플루오로프로필렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐, 및 초고분자량 폴리에틸렌으로 구성된 그룹으로부터 선택된 열가소성 수지 또는 그의 혼합물로 구성되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 열가소성 수지에 융합된 상기 중공 튜브의 개방 단부는 중공 튜브의 결합되지 않은 부분과 대체로 동일한 단면을 갖는 방법.
  10. 제8항에 있어서, 코드 내의 튜브의 합연부를 고정하기 위해 코드를 열가소성 중공 튜브의 융점 아래에서 어닐링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 어닐링된 코드는 개별적인 열가소성 중공 튜브로 분리되고, 그 다음 비환상의 중공 튜브의 다발로서 열가소성 수지와 결합되는 방법.
  12. 제8항에 있어서, 적어도 하나의 유체 연결 포트를 상기 단일화된 말단부 블록에 결합시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 열가소성 하우징을 상기 제2 단일화된 말단부 블록에 결합시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제1 유체로부터 제2 유체로의 열 전달을 위한 제1항의 교환 장치의 사용 방법이며,
    a) 제1 유체를 상기 중공 튜브의 제1 측면 상에서 유동시키는 단계와,
    b) 제2 유체를 상기 중공 튜브의 제2 측면 상에서 유동시키는 단계와,
    c) 열가소성 중공 튜브의 벽을 통해 상기 제1 및 제2 유체들 사이에서 에너지를 전달하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 유체는 감광 저항, 반사 방지 코팅, 저항 탈거제, 또는 감광 저항 현상제인 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 유체는 유전체 상의 스핀인 방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 유체는 구리 이온을 함유하는 유체인 방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 유체는 산, 염기, 산화제, 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 액체는 유기 액체인 방법.
  20. 제10항에 있어서, 상기 제2 유체는 불활성 가스, 물, 폴리에틸렌 글리콜 화합물, 및 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 방법.
  21. 제14항에 있어서, 제1 유체는 가스인 방법.
  22. 유체의 직교류 여과를 위한 제6항의 교환 장치의 사용 방법이며,
    a) 불용성 현탁 물질을 함유하는 제1 유체를 상기 중공 다공성 튜브의 제1 측면 상에서 유동시키는 단계와,
    b) 상기 제1 유체의 일부를 상기 중공 다공성 튜브를 통해 여과하는 단계를 포함하고,
    상기 중공 다공성 튜브는 불용성 현탁 물질의 부분은 보유하고 상기 유체의 부분은 중공 다공성 튜브를 통과시키는 방법.
  23. 유체들 사이의 물질 전달을 위한 제6항의 교환 장치의 사용 방법이며,
    a) 제1 유체를 상기 중공 다공성 튜브의 제1 측면 상에서 유동시키는 단계와,
    b) 제2 유체를 상기 중공 다공성 튜브의 제2 측면 상에서 유동시키는 단계와,
    c) 상기 제2 유체의 일부를 상기 제1 유체 내로 용해시키는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 제1 유체는 수용액이고, 제2 유체는 가스인 방법.
  25. 유체 유동 회로와 직렬로 연결되도록 된 교환 장치이며,
    a) 유체 피팅을 구비한 하우징과,
    b) 하우징 내에 위치되어 열가소성 수지로부터 제조되는 복수의 비환상의 튜브를 포함하는 교환 코어를 포함하고,
    c) 상기 튜브는 종방향으로 배열되고, 주연부에서 열가소성 수지를 통해 용융 결합되어 단일화된 말단부 블록을 형성하는 두 개의 단부를 갖고, 단일화된 말단부 블록 내에서 상기 비환상의 튜브의 단부들은 그를 통한 유체 연통을 허용하도록 융합되는 방식으로 유체 밀봉 결합되고,
    d) 상기 하우징은 제1 유체를 제2 유체와 접촉되도록 교환 코어의 상기 제1 단부로 공급하기 위한 제1 유체 입구와 상기 비환상의 튜브로부터 상기 접촉된 제1 유체를 제거하기 위한 제1 유체 출구 연결부를 갖고, 상기 하우징은 상기 제1 유체와 접촉되는 제2 유체를 하우징의 내측 벽과 비환상의 튜브 사이에 형성된 상기 체적으로 공급하기 위한 제1 유체 입구 연결부와 상기 접촉된 제2 유체를 제거하기 위한 제2 출구 연결부를 갖는 장치.
  26. 경계층 붕괴가 증가된 열가소성 중공 튜브의 제조 방법이며,
    a) 열가소성 튜브를 교환 장치에 대해 고정시키는 단계와,
    b) 중공 튜브의 구조를 비환상이 되도록 비트는 단계를 포함하는 방법.
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