TW201900262A - 流體化顆粒狀吸收床過濾器 - Google Patents

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Abstract

本發明描述過濾產品及使用過濾產品之方法，其中該等過濾產品包括多個單元，各單元在使用期間包含單一循環流體化床。

Description

流體化顆粒狀吸收床過濾器
本發明係關於過濾產品及使用過濾產品之方法，其中該等過濾產品包括多個單一單元，各單元含有包含在單元中之顆粒狀過濾介質，使得該顆粒狀過濾介質可藉由氣態流體流以向上方向流動通過該單元而流體化。
氣態及液態流體流過濾係一種在現代世界中具有許多重要應用之技術領域。實例包括污染控制、有害物質過濾、及提供用於商業製造之液態及氣態流體的去顆粒及去污染流。
在半導體處理及微電子工業以及其他製造業中，「無塵室」係包括經高度淨化之環境(包括大氣)的場所。對於用於微電子及半導體製造業之無塵室應用而言，使用過濾器連續處理無塵室大氣中之空氣以移除多種類型之顆粒污染物，以及呈「空氣傳播分子污染」 (「AMC」，亦稱為「空氣傳播分子污染物」) 形式的污染物。
AMC通常可被視為以分子級存在於氣態流體(尤其空氣)中之污染物，此意味著污染物在尺寸上為亞顆粒，即，分子。分子級污染物通常為已擴散或蒸發至氣態氛圍中之化學物質，其產生自諸如存在於無塵室中之處理材料的物品。AMC可具有任何化學組成，例如任何無機或有機化合物、離子等。在存在於半導體處理及微電子工業中之無塵室環境中，呈空氣傳播分子污染物存在之典型分子包括有機或無機分子，諸如：酸或鹼化合物、界面活性劑、聚合物添加劑、有機金屬化合物(例如，催化劑)、摻雜劑、氧化劑、諸如有機溶劑之揮發性有機化合物(VOC)、以及其他分子。此等污染物之主要來源可包括在無塵室中使用之處理化學物。在用於處理微電子及半導體裝置之無塵室中存在的此等類型之空氣傳播分子污染物的非所欲影響包括污染物與處理中之微電子裝置或半導體材料的表面之間之多種非所欲反應或作用中的任一種，例如：處理中之晶圓、電路板、工具或儀器等之表面的腐蝕；摻雜錯誤；成核誤差；光刻製程相關缺陷；晶圓、光學器件或透鏡之霧化；及許多可造成生產中產量損失或導致對敏感生產設備造成損害之其他問題。
目前，用於自無塵室環境中移除空氣傳播分子污染物的一種非常普遍方法係提供含有將吸附(即吸收(adsorb))空氣傳播分子污染物分子之吸附劑顆粒的分子過濾器。該等吸附劑顆粒係固持於過濾器之透氣結構內，在過濾器中處於相對靜態。使含有污染物之空氣通過該過濾器以允許空氣在該等吸附劑顆粒之可用表面周圍流動並通過。使含有空氣傳播分子污染物之空氣通過過濾器允許空氣中之空氣傳播污染物接觸靜態固持之吸附劑顆粒的表面，以隨後吸附至顆粒之表面上。用於此等目的之最常見過濾器的結構為褶狀過濾器結構，其含有在纖維材料(諸如含有纖維狀、多孔(例如)海綿狀「蓬鬆(loft)」，其中該「蓬鬆」材料夾在兩個外部纖維層(例如，纖維稀鬆布)之間作為內層)中固持就位之顆粒狀過濾介質(諸如活性碳顆粒)。此等多層過濾器結構亦包括一定量之黏合劑以使顆粒狀吸附劑、蓬鬆及稀鬆布層固持就位。
儘管此等過濾器構造在商業使用上足夠有效，但基於其等構造，其等確實呈現出某些缺點。例如，對黏合劑之需求可導致過濾效率降低至黏合劑接觸吸附劑顆粒之表面的程度；若吸附劑顆粒之表面被黏合劑覆蓋，則彼等表面將不能吸附任何穿過過濾器之分子污染物。另外，褶狀設計不允許氣流在吸附劑顆粒上均勻分佈，使褶狀過濾器之褶皺處的氣流減少並在吸附劑顆粒區域上產生不一致之濃度負荷。
工業、製造業、及商業及消費者技術之所有領域均對改良過濾器及改良過濾方法存在持續需求。
因此，本發明係關於新穎且創造性之過濾產品，及使用該等新穎過濾產品之方法。本發明過濾器包括多個單元，其中各單元包含顆粒狀過濾介質(在本文中有時稱為「顆粒狀過濾介質」、「顆粒狀過濾顆粒」或簡稱為「顆粒」)。一定量之顆粒狀過濾介質係以允許該顆粒狀過濾介質在單元內自由移動(諸如回應穿過該單元之流體流)之方式自由地包含於過濾器之各單元內。更特定言之，各單一單元包含顆粒狀過濾顆粒集合，其一在流體流以向上方向通過各單一單元時可在單一單元內流體化，向上方向意味著以包括向上(意為與重力相反)之氣流速度分量的方向。
在使用中，以向上方向流過過濾器之單元的流體接觸並通過包含於各單元中之顆粒的表面，且能夠使各單一單元之顆粒在流體流內「流體化」，即，單元、顆粒及流體流構成「流體化床」或「循環流體化床」(或CFB)。具體而言，包含於單元中之單一顆粒可成為自由移動之顆粒，其藉由以向上方向流動通過該等顆粒之流體的力而懸浮(抵抗重力)。
過去，用於處理流體流之顆粒流體化床係以懸浮顆粒之形式存在於單個相對較大之容器中，該容器包含含於單個容積中之顆粒集合，使一定量之流體通過該容積以使該容積中之顆粒流體化。參見，例如，美國專利第6,440,198號。該容器可為氣體處理系統之不可更換結構，但可包含在單個未分區內部容積內之顆粒集合，以允許(例如)在使用期間或在使用顆粒一定次數之後自該容積中移除該等顆粒並替換。
相反，本發明新穎且創造性之過濾產品包括在單個過濾器結構內之多個單元，其中各單元包含可在流體流中流體化之顆粒狀過濾顆粒集合。此等過濾器提供多個小型單一「循環流體化床」(CFB)單元，各單元在使用期間可包含單一循環流體化床。相對於過去之流體化床氣體處理方法以及相對於過去之習知過濾器的用途，使用本發明過濾器可存在多種優點，包括：與過去之過濾器設計相比，藉由使用流體化介質顆粒來改良處理流體流之效率；及，使用習知過濾器設計及呈可更換「板」型或「框架」型過濾器總成形式之可比較可更換過濾器總成輕易且方便地操縱、更換或交換流體化床型過濾器之能力。
關於前者，以流體化過濾介質顆粒為原理進行操作之所述過濾器的用途提供相對於包含由過濾器以實質上靜止狀態固持之過濾介質的先前過濾器設計之優點。有利地，所述含有多流體化床之過濾產品包括呈單一單元形式之多個循環流體化床(CFB)，其等配置成(例如)陣列，視情況亦含於諸如支架或殼體之支撐結構內。一或多個單一單元中之顆粒的流體化係在單一單元內之顆粒狀過濾顆粒藉由由向上之流體流以適用流動速率及線速度通過該單一單元所提供之力以類流體狀態懸浮時發生。流體化係若干參數之函數，該等參數包括但不限於：顆粒狀過濾介質顆粒之尺寸及密度、床(即，單一單元)之幾何形狀、流體流之速度、流體流之流體的密度、及單元中之空隙(即，單元中不由顆粒狀過濾介質顆粒佔據之空間量)。
所述之含多流體化床之過濾器的設計提供相對於由以實質上靜態結構固持於多層過濾器結構內之顆粒狀過濾介質顆粒構建的可比較過濾器之性能的改良性能。允許顆粒狀過濾介質顆粒在使用期間流體化之所述過濾器允許該過濾器之所有顆粒狀過濾介質顆粒的整個表面積曝露於氣態流體流並與之接觸。本發明過濾器之單一單元及整體過濾器結構不需要且可明確排除對惰性結構材料(蓬鬆、稀鬆布)或黏合劑之需要，其等可藉由防止過濾介質顆粒之表面與包含於通過過濾器之氣態流體流中的污染物質(例如，空氣傳播分子污染物)接觸而干擾該等顆粒狀過濾介質顆粒之功能。
所述過濾器之一個優點為增加流過過濾器(即，通過過濾器之單一單元)之流體的滯留時間，此意味著流體與顆粒狀過濾介質顆粒之間之接觸時間增加。可將單元尺寸設計成在通過單元之氣流的方向上產生深度尺寸，該深度尺寸係比先前過濾器設計可實現之深度大許多倍。
作為另一個優點，藉由單一單元內之流體流而懸浮之介質顆粒的恆定循環(即，運動)允許高效之流體與顆粒表面接觸。作為值得注意的優點，顆粒之整個表面曝露用於與流過過濾器之流體接觸，因為無顆粒之表面固持靜止或與過濾器之結構持續接觸。
同樣有利地，所述之較佳過濾器及單元設計可產生通過過濾器之流體流，與其他過濾器設計相比，該設計顯示在過濾器區域上相對改良之流動均勻性及壓力均勻性。儘管通過本發明過濾器(即，通過單一CFB)之單一單元的擾流可導致單元容積內之局部流動及壓力梯度，但自包括本文所述單元陣列之過濾器的出口側流出之流可在過濾器之流出側(即，出口側)的區域上呈現更均勻之(例如)分層流。此外，通過單元、通過並環繞藉由流體懸浮於單元中之顆粒之流體流的擾流性質阻止任何大量流體在流體沒有有效(例如，吸附-引起)接觸過濾介質下通過過濾器，即，阻止流體在流過過濾器時繞過過濾介質顆粒。
所述之實例過濾器設計可允許給定尺寸(意指流體流通過過濾器之區域)之過濾器呈現增加之過濾器容量，或替代地，可允許具有給定容量之過濾器以減小尺寸(此尺寸係指流體(例如，氣流)進入或離開過濾器之一側(例如，入口側或出口側)的過濾器區域)進行製造。
具有固定顆粒或具有不完全曝露於流體流之表面積之顆粒的先前習知過濾器可呈現降低之有效接觸存在於氣態流體中之AMC的能力。先前固定顆粒過濾器亦可在過濾器之某些部分上呈現不均勻的顆粒分佈。過濾器內之過濾介質顆粒的此類型過濾器內不均勻分佈可導致過濾器內區域之過濾效率降低(例如，吸附性過濾介質上之吸附減少)，亦稱為「繞過(bypass)」。有利地，本發明所述過濾器設計(其中單一單元含有可流體化之過濾介質顆粒)不會遭受過濾器內之不均勻性或由此導致之過濾效率損失或繞過。
所述過濾器之第二個一般優點為，與以流體化顆粒床為原理進行操作之先前類型處理設備相比，本文所述之流體化床型過濾器可以可替換易操作之過濾器總成形式構建，該過濾器總成可以類似於先前過濾產品(諸如板型褶式過濾器總成)之方式進行處理、移除及更換。例如，藉由採取包括呈CFB形式之獨立完備流體化床陣列之板型過濾器總成的形式，本發明過濾器總成能夠作為單個方便單位在空氣處理系統內進行移除及更換。
本發明過濾器(例如，過濾器總成)可包括多個小型(例如)微型單元，其中各單元均係獨立完備、完整、實用之「CFB」流體化床；各單元包含含有可流體化之過濾介質顆粒的空間。一過濾器總成包含多個此等單元於一陣列中。各單元可具有可為任何所需尺寸(意指面積)之一入口及一出口，且該等單元可呈一陣列存在，其中該等單元之單一入口及出口係分佈於過濾器之平坦表面的區域上，例如，分別位於過濾器總成之入口側及出口側。該陣列可包括數十或數百個單元，各單元均包括一入口及一出口，並且該陣列之該等單元可作為單個過濾器總成進行處理，視情況由框架或其他支撐結構支撐或圍封。此類過濾器可稱為板型過濾器或框架型過濾器，且可模擬先前及當前使用之習知(例如，褶狀)過濾器的尺寸及處理特性。
與先前流體化床型處理系統相比，該等包含多個單元(各單元包含可流體化床或CFB)之板型過濾器可輕易且有效地處理、移動、移除及替換。包含具有框架型過濾器形式的流體化床過濾結構之本發明所述過濾器的實例可具有能夠輕易進行移動、處理及手動插入之尺寸，例如插入流體處理(例如，空氣處理)系統之流體流(例如，氣流)中並隨後從中移除。一流體(例如，空氣)處理系統可在管或板中包括一適於容納該框架型過濾器之空間以將該過濾器插入待過濾之流體流(例如，氣流)中。在此等系統中，可輕易更換該過濾器，此意味著該過濾器具有允許該過濾器之單元陣列易於放入氣流中並最終例如在所需時間量(此時將一具有第二單元陣列(CFB)之新的或新鮮的過濾器插入至該氣流中以進行後續過濾)之後視需要自氣流中移除之尺寸及結構。
視情況，若需要，亦可將過濾器總成之單元陣列設計成允許更換該過濾器總成之單元內的過濾介質顆粒。例如，在將該過濾器從過濾流體流之使用中移除的情況下，可將該過濾器之單元設計成打開以允許移除使用過之過濾介質顆粒，及允許添加新的(新鮮的、翻新的或重新產生的)過濾介質顆粒來替換所移除之使用過的顆粒。隨後可重新關閉該陣列之該等單元，並可將該具有經替換之過濾介質顆粒的過濾器放回至流體流中用於過濾。
在一態樣中，本發明係關於一種適於自流體流移除污染物之過濾器。該過濾器包括：兩個或更多個單元，各單元由在一單元入口與一單元出口之間延伸之側壁限定，且各單元具有一在該等側壁、入口及出口之間之容積；及顆粒狀過濾介質，其包括以鬆散方式包含於該等兩個或更多個單元中之各者之容積內的單一顆粒，鬆散方式允許單一顆粒回應穿過各單元之流體流而在該等兩個或更多個單元中之各者之容積內移動。
在另一態樣中，本發明係關於一種自氣態流體流移除污染物之系統。該系統包括：引導該氣態流體流之管道；一與該管道流體連通之空間，用於將一可移除過濾器總成放置於該氣態流體流中，以使該氣態流體流流動通過該過濾器總成；及一處於該空間中之可移除過濾器總成。該可移除過濾器總成包括：兩個或更多個單元，各單元由在一單元入口與一單元出口之間延伸之側壁限定，且各單元具有一在該等側壁、入口及出口之間之容積；及顆粒狀過濾介質，其包括以鬆散方式包含於該等兩個或更多個單元中之各者之容積內的顆粒，鬆散方式允許單一顆粒回應穿過各單元之氣態流體流而在該等兩個或更多個單元中之各者之容積內移動。
在其他態樣中，本發明係關於一種自流體流移除污染物之方法。該方法包括提供一過濾器，該過濾器包括：兩個或更多個單元，各單元由在一單元入口與一單元出口之間延伸之側壁限定，且各單元具有一在該等側壁、入口及出口之間之容積；及顆粒狀過濾介質，其包括以鬆散方式包含於該等兩個或更多個單元中之各者之容積內的單一顆粒，鬆散方式允許單一顆粒回應穿過各單元之氣態流體流而在該等兩個或更多個單元中之各者之容積內移動。該方法進一步包括使流體以引起該等顆粒在該氣態流體流內流體化之方式流動通過該等兩個或更多個單元。
本文描述新穎且創造性之過濾產品及使用該新穎且創造性之過濾產品的方法。本發明過濾產品(過濾器或過濾器總成)包含多個單一單元，其中各單元含有呈顆粒集合形式之過濾介質，在本文中稱為「顆粒狀過濾介質」、「顆粒狀過濾顆粒」、「顆粒狀過濾介質顆粒」或簡稱為「顆粒」。該等顆粒狀過濾介質顆粒係以允許該等單一顆粒回應移動通過該單元之氣態流體流而移動之方式鬆散地包含於該等單一單元中之各者中。更特定言之，各單元包含顆粒狀過濾顆粒集合，且該顆粒集合可藉由以向上方向(意指包括流體速度分量且為向上(與重力相反)之任何方向)穿過該單元之氣態流體流而流體化。可將含有流體化顆粒之過濾器的各單一單元稱作循環流體化床或CFB。就速度、容積流速及壓力而言，使該等顆粒流體化所需之流體流將取決於諸如該流體之密度及該等顆粒之尺寸、密度及物理性質(形狀、表面結構等)之因素。如本文所用，術語「向上」係指與重力相反之自下而上的方向；足以使包含於一單元中之過濾介質顆粒流體化之通過一單元的流動可為向直接向上(即，基本上垂直)，或可為實質上向上(即，大部分垂直)，同時仍然包括使該等顆粒因具有足夠壓力、速率及速度之氣態流體流力而流體化的足夠垂直分量。當該等顆粒之重力由流動通過該單元以支撐該等顆粒之流體力大致上相等地抵消，使得該等顆粒藉由該流體流而懸浮並在該單元內自由移動時，認為該等顆粒係經流體化。
本發明過濾器之實例包括一以平面構形配置之多個單一單元的陣列，其具有兩個相對的主要側，包括稱為入口側(單元入口所在之側)及出口側(出口所在之側)者。參見，例如，圖1。各單元包含能夠藉由以向上方向通過該單元之流體流加以流體化的介質顆粒。各單元之容積可為視需要例如至少0.25立方英寸之容積，例如，0.3至10立方英寸(或更大)或0.4至5、8或9立方英寸之容積。此等容積係例示性而非限制性；在此等範圍之外之容積對於所述過濾器之單元而言亦可係有效的，如基於視為整體之本發明將顯而易見。具有本發明知識之相關領域的一般技術者能夠選擇特定容積以滿足特定係統之需求。
單元中過濾顆粒相對該單元之總容積的體積可為允許該等顆粒在該單元內流體化之任何顆粒體積。在單一單元中之顆粒的非限制性實例體積可係在該單元總容積之5至70%的範圍內，例如該單元容積之10至60%，或單一單元容積之15至20、30或50%。
各單元可由一入口端之入口、一出口端之出口及從該入口端及該出口端延伸並位於其間之側壁所限定，該等側壁通常且較佳在該入口端與該入口端之間連續。該入口端可視為係流體進入該單元之位置，其中該流體隨後以向上方向流動通過該單元並隨後在該出口端離開該單元。該入口端可包括多孔罩，諸如篩網、稀鬆布或其他類型之多孔平面結構(諸如金屬熔合)，其將過濾介質顆粒靜止地支撐在該單元中以防止該等顆粒通過該入口穿出該單元。該出口端亦可包含呈篩網、稀鬆布或其他類型之多孔平面結構(諸如金屬熔合)形式之多孔罩，其防止介質顆粒在使用期間通過該出口端離開該單元，諸如藉由通過該出口端由穿過該單元之流體帶出該單元。
理想地，單元陣列可包含以重複圖案對齊之所需數量的單元，該重複圖案在長度及寬度方向(此等方向垂直於該等單元之深度)上延伸覆蓋該過濾器之面積，其中該陣列之該等單元在容積、深度、寬度及高度上實質上一致。單元(即，單元之側壁)可由任何經機械處理、模製或擠壓之材料(諸如金屬或有用聚合物材料)製成。
陣列之單元的尺寸可為任何有用尺寸，包括在該入口端與該出口端之間延伸之深度(或「高度」)及垂直於深度之寬度及長度尺寸。深度可有利地為大於習知多層(例如褶狀)過濾器之厚度(此意指(例如)多層過濾器之多層稀鬆布、蓬鬆或可比較材料的合併厚度)的深度。所述過濾器(包含多個單一循環流體化床)之單元的實例深度可為至少0.25英寸，例如，0.3至24英寸(或更大)，或0.5至10、15、18或20英寸。此等深度僅係例示性且應認為係非限制性；在此等範圍之外之深度對於所述過濾器之單元而言亦可係有效的，如基於視為整體之本發明將顯而易見。
單元之寬度及長度可視需要以產生具有有利整體尺寸之單元。總言之，單元之長度及寬度可足以提供一單元入口及一單元出口，其各具有在至少0.4平方英寸範圍內之截面積，例如，0.5至7、8、9或10平方英寸。此等指定之入口及出口面積僅係例示性且應認為係非限制性；在此等範圍之外之單元入口及單一出口之區域對於所述過濾器之單元而言亦可係有效的，如基於視為整體之本發明將顯而易見。
較佳對應於該等單元之截面形狀(垂直於該單元在深度方向之軸線(即，線性流體流通過該單元之方向)進行採取)之該入口及該出口的面積形狀可為任何所需幾何形狀，諸如圓形、矩形、正方形、六邊形、三角形、梯形等，或不規則形狀。
當單元配置成一陣列時，該陣列可包含以重複排列方式放置及支撐之兩個或更多單元，其中單元係在深度方向上平行對齊。較佳地，該等單元入口之區域係在一入口平面中對齊，且該等單元出口之區域係配置於與該入口平面在二維上平行之一出口平面中。入口平面亦可(但不一定)位於或鄰近過濾器總成之入口側之表面。出口平面亦可(但不一定)位於或鄰近過濾器總成之出口側之表面。
作為單元陣列之一實例，圖1顯示包括單元4之陣列2的過濾器總成1。如圖所示，陣列2包括在陣列2底部之入口側3及在陣列2頂部(上側)之出口側5。各單元具有在陣列2之底側3的入口8 (圖1之陣列2上未顯示)、陣列2之出口側5上的出口6 (正方形開口)(顯示於陣列2之單元4的頂部)、深度10、寬度12及長度14。單元入口(8)及單元出口(6)為正方形，該等入口及出口之間延伸之該等單元的截面形狀亦如此。氣態流體16可以向上方向流動通過陣列2，以相同向上(及垂直)方向穿過單一單元4中之各者。
參照圖2A及2B，說明陣列2之單一單元4。單元4包括側壁18、多孔入口罩20及多孔出口罩22 (其等未在圖1中顯示)。單元4亦包含過濾介質顆粒24。將單元容積30定義為側壁18、入口罩20及出口罩22之間之容積。當沒有流體流動通過單元4時(參見圖2A)，過濾介質顆粒24係靜止地位於單元4之下部，由多孔入口罩20支撐。當流體16 (諸如空氣)以向上(例如，垂直，與重力相反)方向流動通過單元4時，該流體能夠使過濾介質顆粒24懸浮於該流體流中，即，使該等顆粒流體化。參見圖2B。在使用如本文所述之過濾器期間，過濾器之陣列2的多個或所有單元(4)可包含如圖2B所示經流體化之顆粒。
一陣列(諸如圖1之陣列2)可直接放置於垂直的流體流中，且該垂直流可直接進入各入口，穿過各單元，並在一出口離開該單元。此種陣列可直接改造成其中流體流係向上及垂直之過濾系統。然而，在其他系統中，流體可向下(即，與向上及與重力相反相對)或水平流動。在此類系統中，該等單一單元或該單元入口之陣列可與一或多個與該入口流體連通之額外流體通道連通，該等額外流體通道將該流從向下或水平重新引導至向上，以使該流體以向上方向通至該等入口並通過該等單元。與單一單元出口或該單元出口之陣列流體連通之其他額外通道可改變自該等單元出口離開之流體流的方向，以將離開該等單元出口之流體流在離開該等單元出口後重新引導至原始向下(或水平)方向。
在包括改變進入或離開陣列單元之流體流方向之通道的陣列及過濾器總成中，該過濾器總成之主要側不必與該等單元入口及單元出口對齊。在此等過濾器總成中，一過濾器之入口側可視為該過濾器的一側，其包括入口至通向該等單元入口之通道，且該過濾器總成之第二主要側(出口側)可視為該過濾器總成之側，其包括自該等單元出口引出之通道的出口。
圖3A、3B及3C顯示過濾器總成之一實施例。過濾器總成41包括包含單元4之陣列40。各單元4包括單元入口8、單元出口6、側壁18、多孔入口罩20、多孔出口罩22及定義為在側壁18、入口罩20及出口罩22之間之空間的單元容積30 (參見圖3B及3C)。各單元4包含過濾介質顆粒24 (參見圖3B及3C)。各單元4係與進入通道42 (其與單元入口8流體連通)及出口通道44 (其與單元出口6流體連通)流體連通。陣列40包括入口側(頂側)50及出口側(底側)52。
在使用中，以向下方向(D)流向過濾器陣列40之流體16進入位於過濾器總成41之入口或頂側50處的進入通道入口44。流體16以平行於單元4之深度的向下方向繼續；在進入通道42之底部處，通道42轉向以與單元4之底部處的入口8相匯，當最初接觸過濾器總成41之入口側50時，進入通道42有效地將流體流16從其向下方向D重新引導(180度)至向上方向U，並引導該流體流以向上方向進入單元入口8。在進入單元入口8時，該流體流在以向上方向U行進時穿過單元4及顆粒24。在以向上方向U穿過單元4之整個深度後，該流體流藉由穿過單元出口6離開單元4，此時該流體流進入出口通道44，仍然以向上方向行進。在出口通道44之頂部，通道44轉向180度並將流體流16重新引導至原始向下方向D，且流體16繼續以向下方向D (平行於單元4之深度)流動通過一段出口通道44之長度，隨後在過濾器總成41之出口側52處的出口通道出口46處離開出口通道44。
在無流體流動通過過濾器總成41之陣列40及單元4時，過濾介質顆粒24係靜止地位於單元4之下部，由入口罩20支撐(見圖3B)。當流體16 (諸如空氣)以向下方向流向陣列40之上表面50時，該流體進入進入通道42並隨後經進入通道42重新引導至向上(例如，垂直，與重力相反)方向以向上方向通過單元4。當以向上方向穿過單元4時，流體16能夠使顆粒過濾介質顆粒24懸浮於流體流16中，即，使過濾介質顆粒24流體化(參見圖3B)。
視情況，單元4之陣列(例如，陣列2或陣列40)可有效地用作可插入至流體流中之自撐式過濾器總成。單元4之陣列(諸如陣列2或40)不需要且可明確排除任何經設計用於保持陣列2或40之形狀及結構剛度以用於過濾流體流的附加結構。視情況地，實例過濾器總成可額外包括一框架，該框架圍繞陣列2或40之周邊以提供額外的結構支撐，或允許將該陣列放置於流體處理系統中之開口中，以將陣列2或40放置於流體流中，其中流體進入入口側，以向上方向穿過單元4之陣列，並隨後自該過濾器總成之出口側離開。
如本文所呈現之包含多個單元(各單元含有可流體化之過濾介質顆粒)的過濾器應理解為能夠經改造以用於任何環境中過濾流體以移除污染物，其中流體流含有藉由過濾而移除之污染物。該等污染物可為多種處理、製造或商業環境中任一種之任何流體流的一部分。該等過濾器可有效地將污染物從多種流體流中移除，較佳氣態流體流，諸如空氣、蒸氣或惰性氣體。該污染物可為任何類型之污染物，其可藉由使用過濾介質從流體流中移除，例示性污染物包括顆粒尺寸之污染物以及空氣傳播分子污染物(AMC)。根據所述之較佳過濾產品及方法，本發明所述之過濾器及過濾方法之特別有用的改造可為適用於從空氣或惰性氣體流(例如進入或在無塵室中流通之空氣)中移除空氣傳播分子污染物(AMC)之彼等。
適用於控制無塵室中之AMC濃度之特定過濾器的實例可包括經改造且有效地藉由吸附捕獲AMC之化學類型過濾介質(此類吸附劑過濾介質係通常在無塵室環境中結合有效移除不同於(例如，大於)AMC之污染物(諸如奈米級顆粒污染物)的附加過濾器系統來使用)。有效的吸附型過濾介質包括多種類型之聚合物過濾介質以及活性碳過濾介質(例如顆粒狀活性碳或GAC)。在本發明過濾器中，此等類型之過濾介質中之任一種可呈顆粒狀(即，顆粒)形式使用，且顆粒具有各種尺寸、形狀、稠度(密度)及其他物理性質諸如粒度範圍及分佈，因為顆粒狀顆粒在含於過濾器之單元中時能夠藉由流體流而被均勻地流體化。空氣傳播分子在顆粒狀過濾介質顆粒表面上之吸附效率可取決於多種因素，諸如該顆粒狀過濾介質之孔隙率、化學組成、及比表面積及機械表面性質。根據流體流中待移除之AMC的化學性質，顆粒狀活性碳過濾介質及聚合物過濾介質可藉由化學處理或藉由施覆化學塗層(例如，催化劑)來改質以增強顆粒狀過濾介質顆粒之吸附性能。
在過濾領域中，已知多種吸附性過濾介質材料適用於吸附性化學型過濾器，包括先前已用於多層(例如，褶狀)過濾器設計中之實例。根據本發明，一些相同吸附性過濾介質材料可係適用於作為本文所述之新穎且創造性過濾器之吸附性過濾介質顆粒，以用於從流體流中移除諸如各種類型之AMC中之任一種的污染物。此等顆粒狀過濾介質類型之一些實例包括：陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂、沸石、金屬氧化物、鹽、活性碳(天然及合成)、經化學塗覆之碳、及經化學塗覆之聚合物，其中任一種均可呈在包含於所述過濾器之單元中並在流體流動通過所述過濾器之單元時能夠被流體化之顆粒狀形式進行提供。
此等或其他過濾介質中之任一種亦可包括化學處理(例如，塗覆)，其將改良該過濾介質之吸附性質，例如，改良對一或多種一般或特定類型之空氣傳播分子污染物的吸附。適用於顆粒狀過濾介質之化學塗料可包括：碘化物溶液、氫氧化物溶液、氯化鋅、碳酸鹽及碳酸氫鹽溶液、胺、檸檬酸、磷酸、草酸、硫酸、及目前已知或將來開發之其他塗料。
所述過濾器可有效地從氣態流體流中移除之AMC的類型可為任何一般或特定類型，其包括已知且通常存在於半導體晶圓或微電子處理及製造之環境中所發現之空氣氛圍或惰性氣體氛圍中的分子污染類型。此等空氣傳播分子污染物之一般類型的實例可包括：揮發性酸性氣體及氣溶膠、揮發性鹼、C2至C30化合物中所有類型之揮發性及可冷凝有機化合物(此包括耐火材料及含矽化合物)及顆粒(次級)。
特定更具體之實例化合物包括：酸，諸如NOx、SOx、HC1、HF、H2S04、HN03、磷酸及氫溴酸等；鹼，諸如胺、氨、氫氧化銨、氫氧化四乙銨、甲胺、二甲胺、三甲胺、乙醇胺、嗎啉、六甲基二矽氮烷、環己胺、二乙胺基乙醇及N-甲基吡咯啶酮(NMP)等；可冷凝物，諸如2-丙醇、聚矽氧、二甲苯、庚烷、苯、矽氧烷、丁基化羥基甲苯(BHT)等；摻雜劑，諸如B (例如，BH)、甲苯、AsH3、B2H6、BF3、有機磷酸酯、磷酸三乙酯(TEP)、TCPP、砷(例如，砷酸鹽)及O=P等；以及其他化合物，包括諸如H2O2及O3之氧化劑、諸如丙酮及異丙醇(IPA)之有機溶劑、及H2S。
本發明過濾器可適用於流體處理系統，其包括針對藉由包含於任何流體處理系統(例如，任何空氣處理或加熱-通風-空氣-調節(HVAC)系統)之過濾組件中來過濾(即，使污染物自其移除)任何環境之流體流進行改造。該過濾器可插入至通入至(例如)管道中之氣流中，該過濾器的位置及方向為使得該氣流亦穿過本發明之創造性過濾器。空氣流入該過濾器總成之入口側，以向上方向通過該過濾器總成之單元，並在出口側離開該過濾器總成。當穿過該等單元時，該流體流使該等單元中所含之顆粒狀過濾介質顆粒流體化並允許該流體中所攜帶之AMC藉由被吸附至該等經流體化之顆粒的表面而有效地從氣流中移除。
根據較佳過濾器實施例，如本文所述包括單元陣列及可選框架之過濾器總成可調整尺寸及形狀以匹配流體處理系統之指定管道或板。具體而言，該流體處理系統可包括適於容納該過濾器總成之空間，使得當該過濾器總成位於該空間中時，流體(例如，空氣)通至該過濾器之入口側，通過該過濾器及其單元，並以降低濃度之AMC離開該過濾器之出口側。用於此類型之流體處理系統的較佳過濾器總成可為可更換型，諸如具有與該流體處理系統之空間相匹配之尺寸的框架型或板型過濾器。該過濾器總成之尺寸及形狀可相當於先前用於流體處理系統(例如，HVAC系統及無塵室空氣處理系統)之褶狀設計的可更換過濾器，而非使用流體化床進行操作且涉及在藉由流動通過流體化床處理流體之系統中通常存在較大容器的更笨拙之系統配置。
有利地，藉由將該過濾器總成滑動至流體處理系統之管道中的指定空間中，可輕易地將本文所述之框架型或板型過濾器總成放置於流體流中。該氣流可係水平、垂直向上或垂直向下，且可將該過濾器總成插入至該流體流中以將該過濾器之區域垂直該流放置。在一些實施例中，該氣流具有垂直分量。當插入至該流體流中時，該過濾器之入口側將面向流入之流體流(即，在「上游」方向)，該過濾器之出口側將面向流出之流體流的方向(即，在「下游」方向)，且該過濾器之單一單元將呈垂直取向而定向，其中該等單元之深度係呈於垂直取向。該過濾器總成可經構建以包括單元進入通道，該等通道將引導或重新引導(若需要)該流體流，使得該流體以垂直(自下而上)方向流動通過該等單元。該過濾器總成亦將包括(若需要)單元出口通道，該等通道將該流再次重新引導回至該流體流之原始方向。在包含於該等單元中之顆粒狀過濾介質的有效使用壽命期間，該過濾器總成保持在原位。當該顆粒狀過濾介質之有效使用壽命已過時，可將該過濾器總成從該管道中移除(例如，從管道內尺寸適合該過濾器總成之空間中滑出)，且可將替換過濾器總成放入至該管道內之空間中用於繼續處理該流體。
所述過濾產品及方法之特別有用的應用可為在用於半導體及微電子工業之無塵室中，諸如處理、測試或組裝裸露之半導體晶圓或經處理或處理中之半導體產品及微電子裝置(諸如印刷電路板、積體電路、固態記憶體裝置、硬碟組件及總成、平板顯示器、太陽能電池及板、生物晶片及類似產品及裝置)的無塵室。用於此等產品之無塵室環境包括適用於處理半導體晶圓、微電子裝置或其組件之設備，例如半導體處理工具(諸如微影蝕刻區域塗佈機顯影器中之掃描儀)、擴散爐、微型環境、工具界面(例如，塗佈工具、清潔工具、化學機械平面化工具等)、金屬沉積設備、摻雜儀器等。此等不同類型之設備中的各者將與可包括液態或氣態化學物質之處理流體或材料(其可產生AMC)相關聯，包括流體，諸如液體漿液、摻雜劑、清潔溶液、有機溶劑、酸及鹼、油、或任何其他各種實例。可將所述過濾器放置於氣流中，該氣流為過濾進入無塵室之新鮮空氣或過濾再循環空氣(其離開並隨後在經過濾以移除污染物後重新進入無塵室)之空氣處理單元或系統的一部分。
在某些實施例中，通過所述過濾器之單元的氣態流體流(例如，空氣、惰性氣體)係主要以包括向上分量之方向，意指以與重力相反之方向，較佳方向為直接向上，即，垂直，與重力相對。因為向上流動之流體與包含於過濾器之單元內的過濾介質顆粒接觸，所以呈合適流速之向上流體流可有效地在該等顆粒狀過濾顆粒上產生向上的力，其中該力係足以使該等顆粒在該過濾器之單元內懸浮成流體化狀態。
流動通過所述過濾器之流體的流動參數(諸如線速度、壓力(即，跨該過濾器之壓降)及容積流速)可係如所需般及如適用於在過濾器之單元內產生過濾介質顆粒之流體化。流動參數(線速度、壓力及容積流速)之組合可經調整及選擇以產生在該等過濾器單元中之該等顆粒的流體化。此等將提供單元中顆粒之所需流體化的參數值可取決於諸如該等顆粒之類型及性質(其等尺寸、形狀、密度及表面特徵)及該流體之性質(諸如密度)之因素。
圖4為顯示氣態流體(空氣)流動之線速度以及該流穿過過濾器之差壓與該流體之容積流速的關係圖。如圖所示，隨著流量從零增加，差壓及線性空氣速度之增加線性增加。較低之流動轄域係與增加之壓差及增加之線速度相關，而不影響流體化。在一短暫平台之位置(在該位置下，容積流速可稍微增加而差壓或線性空氣速度不增加)，流體化開始發生。流速大於該平台處之流速之上方位於流體化區，其中過濾介質顆粒係在單元中自由流動並流體化，即，藉由以向上方向穿過該過濾器之單元之流體的力克服重力加以支撐。然而，在容積流速過大時，對該等顆粒之力將使該等顆粒抵靠單元出口，從而消除該等顆粒之流體化狀態。
用於將AMC從氣態流體中移除之所述過濾器的使用可有效地將主要量之此等污染物從流體流中有效地移除。從流體流中移除污染物之效率及總量可係相對於用於從類似氣態流體流(例如，無塵室環境之氣流)中移除類似污染物之先前技術化學過濾器至少可比較的且可較佳地有所改良。在實例實施例中，已穿過所述過濾器之無塵室的空氣可包含降低濃度之空氣傳播分子污染物，諸如在離開本發明過濾器之氣流中之空氣傳播分子污染物濃度低於約1000份每兆(ppt)總空氣傳播分子污染物，例如，低於500 ppt總空氣傳播污染物。換言之，適用或較佳過濾器可對特定AMC之上游濃度顯示至少50%之移除效率，例如對特定AMC (其可為本文所列作為分子污染物之特定化學物質中的任一種)之上游濃度的移除效率係在50與99%之間之範圍內，諸如至少80、90、95或99%之效率，此取決於空氣傳播污染物之特定種類。 實例
製備並測試本發明過濾器總成之兩個實例，並基於性能與具有可比較碳吸附劑之多層褶狀過濾器設計進行比較。參見圖5。將本發明過濾器總成識別為原型VI.1及原型VI.2。將該等比較過濾器識別為褶狀100 g負載(碳1)及褶狀114g負載(碳2)。
原型VI.1包括每平方英尺480公克之活性碳(碳1)。原型VI.2包括每平方英尺515公克之不同活性碳(碳2)。用於原型及褶式過濾器之該等兩種不同類型的活性碳(碳1及碳2)係購自Molecular Products Group Ltd., Harlow Essex UK。
該等兩種不同類型之活性碳係用於本發明過濾器(VI.1及VI.2)以及該等比較褶狀過濾器中；該等褶狀比較過濾器包含100g/ft2 (負載100g碳1)或114g/ft2 (負載100g碳2)。以1' x 1'過濾器尺寸測試該等過濾器。每1' x 1'過濾器具有8.75 ft2之褶狀介質，導致各褶狀過濾器具有875 g (碳1)及997.5 g (碳2)。對於各介質類型而言，本發明流體化原型過濾器導致在約50%之總碳載量下更佳之性能。
原型VI.1顯示在每秒0.5米之線性空氣速度及約120 Pa之壓降下，對IPA之標準化容量大於負載100g/ft2碳1之比較過濾器之容量(50% RE)的兩倍。
原型VI.2係與VI.1類似，但具有改良之邊緣密封，且具有515 g/ft2之碳2。原型VI.2顯示標準化容量為114g/ft2 碳2比較過濾器之容量的兩倍。
1‧‧‧過濾器總成
2‧‧‧陣列
3‧‧‧入口側
4‧‧‧單元
5‧‧‧出口側
6‧‧‧單元出口
8‧‧‧單元入口
10‧‧‧深度
12‧‧‧寬度
14‧‧‧長度
16‧‧‧流體
18‧‧‧側壁
20‧‧‧入口罩
22‧‧‧出口罩
24‧‧‧過濾介質顆粒
30‧‧‧單元容積
40‧‧‧單元陣列
41‧‧‧過濾器總成
42‧‧‧進入通道
44‧‧‧進入通道入口/出口通道
46‧‧‧出口通道出口
50‧‧‧入口側
52‧‧‧出口側
圖1顯示本發明陣列或過濾器總成之實例實施例。
圖2A及2B顯示本發明單元之實例實施例。
圖3A、3B及3C顯示本發明實例陣列(例如，過濾器總成)及實例單元。
圖4為通過過濾器比較流速與其他流動參數之圖。
圖5顯示與本發明過濾器總成之性能有關的資訊。
圖1、2A、2B、3A、3B及3C係示意性而非按比例繪製。所有圖均係說明性而非限制所述過濾器或方法。

Claims (10)

  1. 一種適於自一流體流移除污染物之過濾器，該過濾器包括：兩個或更多個單元，各單元由在一單元入口與一單元出口之間延伸之側壁限定，且各單元具有在該等側壁、入口及出口之間之容積，及顆粒狀過濾介質，其包括以鬆散方式包含於該等兩個或更多個單元中之各者之容積內的單一顆粒，鬆散方式允許單一顆粒回應穿過各單元之流體流而在該等兩個或更多個單元中之各者之容積內移動。
  2. 如請求項1之過濾器，其中該等顆粒能夠藉由通過單一單元之向上流體流而在該單元內流體化。
  3. 如請求項1之過濾器，其包括：與該等兩個或更多個單元之一個單元的一單元入口流體連通之一進入通道，該進入通道能夠接收呈第一流動方向之流體流並使該流體流之方向改變至向上方向以流動通過該等兩個或更多個單元中之該一個單元，及與該等兩個或更多個單元之一個單元的一單元出口流體連通之一輸出通道，該輸出通道適於接收自該等兩個或更多個單元之一個單元流出的氣態流體並使該流之方向改變至與第一流動方向相同之方向。
  4. 如請求項1之過濾器，其包括包含該等兩個或更多個單元之一陣列，該陣列包括具有重複排列之單元之層，其中單元在深度方向上平行對齊，且該等單元入口之區域在平面中對齊。
  5. 如請求項4之過濾器，其包括該陣列及延伸以限定一周邊之一框架，該陣列係由該框架支撐於該周邊內，其中該陣列之該等單元係實質上容積均勻且實質上深度均勻。
  6. 如請求項1之過濾器，其包括：位於該等兩個或更多個單元入口之各者之一多孔入口罩，其能夠允許流體進入該單元且能夠在該單元入口處將顆粒包含於該單元內，及 位於該等兩個或更多個單元出口之各者之一多孔出口罩，其能夠允許流體流出該單元且能夠在該單元出口處將顆粒包含於該單元內。
  7. 如請求項1之過濾器，其中該等顆粒係選自以下顆粒：陽離子交換樹脂、陰離子交換樹脂、一沸石、一金屬氧化物、一鹽、天然活性碳、合成活性碳及其組合。
  8. 如請求項1之過濾器，其中該等顆粒係選自經化學塗覆之碳及經化學塗覆之聚合物，該化學塗料包括一碘化物溶液、一氫氧化物溶液、氯化鋅、碳酸鹽溶液、碳酸氫鹽溶液、胺、檸檬酸、磷酸、草酸或硫酸。
  9. 一種用於自一氣態流體流移除污染物之系統，該系統包括：引導該氣態流體流之管道； 與該管道流體連通之一空間，其用於將一可移除過濾器總成放置於該氣態流體流中，以使該氣態流體流流動通過該過濾器總成；處於該空間中之一可移除過濾器總成，該可移除過濾器總成包括：兩個或更多個單元，各單元由在一單元入口與一單元出口之間延伸之側壁限定，且各單元具有在該等側壁、入口及出口之間之容積；及 顆粒狀過濾介質，其包括以鬆散方式包含於該等兩個或更多個單元中之各者之容積內的顆粒，鬆散方式允許單一顆粒回應穿過各單元之氣態流體流而在該等兩個或更多個單元中之各者之容積內移動。
  10. 一種自一流體流移除污染物之方法，該方法包括：提供一過濾器，其包括：兩個或更多個單元，各單元由在一單元入口與一單元出口之間延伸之側壁限定，且各單元具有一在該等側壁、入口及出口之間之容積；及 顆粒狀過濾介質，其包括以鬆散方式包含於該等兩個或更多個單元中之各者之容積內的單一顆粒，鬆散方式允許單一顆粒回應穿過各單元之氣態流體流而在該等兩個或更多個單元中之各者之容積內移動，及使一流體以引起該等顆粒在該氣態流體流內流體化之方式流動通過該等兩個或更多個單元。
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