TW575725B - Exchange apparatus - Google Patents

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TW575725B
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hollow tube
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TW91122625A
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Cha P Doh
Alicia Briggs
Kwok-Shun Cheng
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Mykrolis Corp
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Description

575725
相關申請案 本申請案主張200 1年1〇月丨日申請之臨時申請案編號 60/326, 234號標題為流體交換裝置之效益。該申請案係與 2001年10月1日同時申請之美國專利第6〇/326,357號之懸 而未決申請案有關，申請者參考編號為2〇〇1〇〇293號（過去 為MYKP-621)。 月領域 本發明係關於用於熱交才奐、顆粒過濾及質傳應用之中空 管或中空纖維薄膜交換裝置。該裝置包括含已經先摺疊且 熱鍛燒固定摺疊之融合中空管之外殼。該裝置具有因摺疊 中空官而使流體流動分布提昇之高充填密度巾空管。該裝 置在小體積内部需擋板及可提供高接觸面積。該裝置係由 化學惰性之熱塑性材料製成，且具有在高溫下操作有機以 及腐蝕及氧化液體之能力。 中空纖維及薄壁中空管一般係用於 顆粒過濾裝置。此等申請案中，中空 面對體積比’其相較於由類似組合物 置’可在小體積提供較大之熱及質傳 中空纖維或中空管包括外徑及外表 在管或纖維之第一及第二表面或側面 性材料。内徑界定纖維或管之中空部 體之一。對於所稱之管側面接觸，第 分（有時稱之為内腔），且與環繞管咬
裝 質傳、熱交換及交 管及纖維提供高的 之平板材料製成之 〇 面、内徑及内表面 間之多孔性或非多 分，且係用於攜帶 一流體相流經中空 纖維之第二種流體 t -4- 575725 A7 B7
持分離。在殼面之接觸中，第一流體相環繞管或纖維之外 徑或表面，且第二流體相流經内腔。交換裝置中，充填密 度與可放在裝置中之中空纖維或中空管有關。 需要加熱液體之半導體製造之應用實例包含硫酸及過氧 化氫光阻劑去除溶液，氮化矽及鋁金屬蝕刻用之熱磷酸， 氫氧化銨及過氧化氫SCI清洗溶液，鹽酸及過氧化氫SC2清 洗溶液、熱去離子水洗滌液，及以光阻劑去除劑為主之加 熱有機胺。 用於槽中之加熱液體，尤其是光阻劑去除溶液、磷酸、 SCI及SC2清洗溶液之冷卻為所用化學品丟棄之前所必要。 電化學電鍍槽及裝置有時維持在常溫以丁。 晶圓加工追蹤裝置上，精確且可重複調節液體（如在電介 質、光阻劑、抗反射塗層及顯像劑）之溫度在分布於晶圓上 之前需先加熱或冷卻此等液體。 熱父換器為自一流體（加工流體及第二種操作流體）傳熱 之裝置。以聚合物為主之熱交換器因為其化學惰性及抗腐 钱性而用於加熱及冷卻此等應用之流體。然而，聚合物熱 交換裝置通常較大，因為裝置中所用聚合物之熱傳導性低 ’因此需要高熱傳表面積以進行既定之溫度交換。將管編 織係用於避免管在用於開放容器之熱交換應用中變成不均 勻之分離。該裝置佔用有用之空間，需要化學或交換流體 大的停留時間，且成本高。該裝置亦需要〇—型環密封，其 會受損且亦為離子及粒狀污染之來源。 半導體加工用之液體亦使用石英加熱器加熱。石英在燃 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇χ297公釐） 575725 A7 -------- - B? 五、發明説明（3 ) 燒及爆炸損害下易受損，且益法 撬ώ 沄抗加熱之表面，尤其是有 機液體及包含可燃氣體之液體。
=導體製造中使用中空纖維管之氣液接觸器或交換器， =或添加氣體於液體中。市t之氣液接觸器使用禮板， :二流體間之質傳。接觸薄膜系統之一般應用係自液體移 承/合解之氣體（除t )或將氣態物質加於液體中。例如 、。湖之工作肖為將臭氧氣體加於與半導體晶圓接觸以清 潔且使氧化物成長之極純水中之晶圓加工裝置。 半導體裝置中使用交叉流動過濾器移除懸浮之固體，如 化子機械拋光漿料中所用之研磨顆粒。化學機械漿料流除 固態漿料材料外，含有與酸及鹼如鹽酸或氫氧化胺併用之 氧化劑如過氧化氫。化學機械抛光工具為製造半導體所用 晶圓加工裝置之實例。 訂 為進行交叉過濾，使用由中空管或多孔性中空纖維製成 之接觸器進行之質傳或熱傳一般均使用擋板以促進流體通 過管狀元件。擋板之各種設計已經在文獻中詳述，其可改 善熱及物質與中空管之傳遞。美國專利第5, 352, 361號教示 中空纖維氣液接觸器用之擋板技藝。該擋板用於似聚乙烯 之中空管’其中放置及旋轉積層材擋板之方法容易進行。 全氟化管之擋板使用該技術並不實際。美國專利第 4, 74 9, 031號教示以全氟化擋板經過具螺紋之獨立中空管 之阻擋。使用該技術製造交換接觸器為笨重且昂貴。美國 專利第4, 360, 059號敘述由鑄造材料如鋁製備之旋轉熱交 換器。該方法無法考量使用熱塑性材料，而且亦無法解決 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 575725 A7
針對低熱傳之熱塑性材料實質上需要較高表面積之需求。 人美：專利第3, 315, 740號揭示一種藉由熱交換器用之融 ^將管結合在-起之方法。熱塑性材料管係依管之終端部 刀平行接觸之方式結合。結合管之終端部分係放置在具有 熱塑性内表面且相對於管為硬質之套管内。將加熱至溫度 至少：於熱塑性材料軟化點之流體導入管終端部分之内： 。接著在管之壁上加上壓差，使得管中之壓力大於管外表 面之壓力，因此使管膨脹且與相鄰之管融合。 入口至管之中空不規則圖案，但管產生不均句之流= 。該方法亦需要相對較好之管壁，以獲得足夠熱塑性，形 成具有外罩套管之密封。並不希望使用該加外罩之方法形 成終端結構或整合封端，亦不希望編排管且使其在加套筒 獲得提昇之流動分布之前熱固定。 訂
加拿大專利1 252082號教示製造螺旋狀捲繞聚合物熱交 換器之技藝。該裝置需要機械配件將管固定，且需要大體 積之空間。 美國專利第4, 980, 060及5, 066, 379號敘述過渡用融合加 套筒之多孔性中空纖維管。該發明並未揭示進行非多孔性 熱塑性管融合以製備相及熱交換用之整體封端保護所需之 條件。本發明並不纏繞或編排中空纖維，亦不在加套筒之 管上產生結構，以提昇流動分布前锻燒纖維。
Alan Gabelman 及 Sun-Tak Hwang 在 1 999年薄膜科學期刊 ’ 159冊，61-106頁中敘述均勻的隔離纖維，獲得中空纖維 接觸器中較佳質傳之重要性。作者發現手工建造之模組具 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 575725 A7 B7 五、發明説明（ 有更均勻之纖維隔離，但該模組之成本並無法克服其較高 之製造成本。該論點可用於中空管狀熱交換器及交叉流動 裝置。 美國專利第5, 224, 522號敘述一種製造交換裝置（如血液 和氧器及熱交換器）中所用織布中空纖維帶之方法及裝置 。該裝置方法需要昂貴且複雜之編織設備，將纖維以較佳 之關係固定於管墊之中。
目前使用大量熱負載用之熱塑性熱交換器、殼側之液體 流動或有效之殼側交叉流動過濾並不實際，因為需要高費 用及大尺寸之裝置。金屬熱交換器無法接受用於半導體製 造中，因為其化學腐蝕性及需要自製程液體去除金屬及粒 狀雜質。熱交換、質傳或交叉流動過濾之熱塑性裝置所需
者為南表面積、均勻之纖維分離及最小之體積。該裝置應 去除擋板之需求。 W 發明概要 本發明係提供一種用於質傳、熱交換或交又流動顆粒過 濾用之具有高表面積之裝置。該裝置係由熱塑性材料構成 ’且含與熱塑性樹脂融合之中空熱塑性纖維或中空管，形 成均勻之封端。視情況，包含整體封端之裝置係融合成熱 塑性外殼，其具有流體入口及流體出口連接，使製程及操 作流體可穿越中空纖維或中空管接觸。本發明提供且敘述 裝置之製造方法。本發明亦提供及敘述使用該裝置之方法。 其一具體例中，裝置中之中空管經編排、摺疊或纏繞在 一起，在融合成熱塑性樹脂之前形成管或纖維之索，以形 -8 - ^5725 A7 B7 五 發明説明（6 ) ' 成整體之封端。該索在不需擋板下，提供流體流經裝置時 提昇之流動分布。本發明亦達成中空管或索之高充填密度。 另一具體例中，含中空管或纖維之索在烘箱中鍛燒，在 融合製程之前固定中空管或纖維纏繞、摺疊或編排之形狀 。另外，中空管或索可繞著棒狀物、另一中空管或模板捲 繞’且以模板熱鍛燒固定中空管或索之形狀。編排或纏繞 之索可捲繞之支架上，且熱鍛燒固定索之編排、形狀及長 度。自架上移除編排及捲繞之索成為一束連續之索，接著 融合成熱塑性樹脂，形成整體封端。另一具體例中，锻燒 之索可未經捲繞，形成單獨無週邊之中空管或纖維。此等 單獨之中空管融合成一束熱塑性樹脂。視情況，整體封端 之鍛燒索或獨立無週邊之中空管或纖維融合成熱塑性外殼 其具有供裝置交換之製程及操作流體用之流體入口及流體 出口連接。 Μ圖之簡要#沭 圖1 ( A - D)為說明纏繞及編排中空管實例之簡圖。 圖2A為在熱塑性樹脂中融合之具有無週邊中空管之交換 裝置之剖面簡圖。 圖2B為於熱塑性樹脂中融合之具有流體入口及出口連接 之無週邊中空管之交換裝置剖面簡圖。 圖2C為於熱塑性樹脂中融合之具有流體入口及出口連接 及具有流體連接之外殼之無週邊中空管之交換裝置剖面簡 圖。 圖3為於熱塑性樹脂中融合之具有流體入口及出口連接 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公董) 575725 A7
=具有流體連接之外殼之纏繞中空管之交換裝置剖面簡 圖4為於熱塑性樹脂中融合之具有流體入 及且 叹出口連接 有流體連接之外殼之編排中空管之交換 圖。 、衣罝刮面簡 圖5為說明於熱塑性樹脂中融合之具有流體入口及出口 連接及具有流體連接之外殼之編排中空管之口 之簡圖。 又谀裝置端揭 圖6為實例2及實例3中所述熱交換器效能之詳表。 圖7為使用本發明之方法融合成熱塑性樹 端之顯微相片。 <午工f终 圖8為實例6中所述二十管熱交換器效能之詳表。 圖9為實例7中所述680管熱交換器效能之詳表。 特殊具體例之斂诂 本發明係關於供熱傳及質傳操作以及其他相分離應用 裝置。本發明亦敘述製造整體封端融合熱交換裝置:方^ ’包括編排或纏繞之熱塑性中空管或中空纖維。本發 務中之索係指經纏繞在-起、摺疊或編排形成可加套桶 ::發明之方法融合成熱塑性樹脂之單元之—或多條纖維 或吕。融合係以熱塑性聚合物進行。雖，然本發明已參考非 多孔性聚(四a乙烯-共-全氟甲基乙烯基醚）中空管敘述， 但應了解本發明可使用各種熱塑性管及/或多孔性纖維电 件(此後通稱之為中空管)製造。另外，雖然本發明已參考 纏繞之聚(四氟乙烯-共-全氟甲基乙烯基醚）中空管對敘述
裝 訂 t -10-
575725 五 、發明説明（8 ’但應了解本發明可使用經纏繞、織造、摺φ或編排形成 之各種數量之中空管或中空纖維（此後稱之為索）製成。最 後，雖然本發明已針對熱交換用之裝置敘述，但使用多孔 眭中空官或中空纖維之類似裝置亦可用於質傳及交叉流 過濾應用。 針對本發明之目的，係將單―、未捲繞之锻燒管視同益 3管。無週邊管為未連續環繞在自管之_端部分移到另 -端之縱軸上之外尺寸之管。實例包含（但不限）螺旋線圈 、水久捲繞之中空圓管，如在該條件下擠出之單一、未捲 繞之鍛燒纖維或管、三角形管或纖維、長方形管或纖維' 或正方形管或纖維。 a經編排、摺疊或無週邊形狀之中空管或纖維可提供中空 ^中提昇之流體分布。該裝置不需擋板可在小體積中提供 高流體接觸。具有化學惰性材料結構之裝置之單一或整體 封端結構可不需要0 —型環且可使裝置在高溫下及對不同流 二或多條中空管可交互或使用市售捲繞及編排裝置，經 摺疊、捲繞或編排成索。本發明之實務巾，可將許多中空 管=織在-起行程中空管之塾。針對本揭示及附屬申請專 圍之目的’墊及所可交換使用。f中每尺管之捲繞數 糸如圖1A中之說明般以距離、定義。圖以中，顯示二管 ί ^ 一起，然:而可將任何數量之管捲繞在-起形成索。 圖Α中，參數λι敘述與中空管12捲繞在一起之中空管1〇之 高蜂至高峰或彎曲至彎曲之距離。參數人之值愈小（例如圖 575725 A7 --------- -B7 五、發明説明（9 ) "一'" ----— 1B中,λ2)說明中空管·16間之捲繞圈數目愈大。超過二 I:::;扁排在一起形成索。對於編排之中空管，如圖lc & 8、20及22之說明，索堅固性之測量係以參數、 $述。圖1D中顯示之獨立中空管24、2_係更堅固的捲 % ,因此參數λ,相對的小於、。λ值可在每尺丨至每尺5〇之 間，較好為每尺5-25個高峰或彎曲。捲繞或編排在一起形 成索之中空管數目可為2至100,但更好為2至1〇中空管。 本發明參考圖2Α更詳細敘述。如圖2Α中圖示之說明，單 獨熱塑性無週邊管36、38及4〇各端之部分係與流體堅固之 方式與熱塑性樹脂融合，形成二單一端或整體封端結構32 及34。任何數目之熱塑性中空管均可融合成熱述性樹脂。 圖2Β說明另包括與具有端蓋44及46之單一封端以及“結合 之流體連通埠40及42之交換裝置剖面。端蓋及流體連通器 可使流體源（未顯示）之第一種流體另經中空管⑽、⑽及4 〇 。本發明之一般中空管或中空纖維38可進一步以表面37及 39特性化。圖2C說明另包括與整體封端32及34結合，且具 有一或多個流體連通器埠48及50之外殼52。 圖3中，進一步說明包括捲繞中空管索之交換裝置具體例 。本說明中之索包括中空管54及56、58及60及62與64。各 索之一部份終端係以流體密合之方式與熱塑性樹脂融合， 形成整體之封端32及34。裝置可具有與整體封端結合之選 用外殼52及端蓋44與46。圖3中，可視情況將至少一流體流 動分布器66壓入、旋入或結合於一或多個外殼之流體連通 器埠48及50中。 -12 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 五、發明説明（1〇 ) 圖4中，父換裝置之一具體例係說明另包括編排中空管之 索之交換裝置。本發明中之索包括三條或多條_起开二 及72說明之索之中空管。各索之終端係以流體密合之 與熱塑性樹脂融合，形成整體封端32及34。裝置可且^ 整體封端結合之選用外殼52及端蓋44及46。圖4中，; = 況將至少-流體流動分布器66壓入、旋入或結合於」: 個外殼之流體連通器蟑48及5〇中。圖4中所示之交換晉 端視圖圖示的說明於圖5中。 又之 參考圖3，係說明本發明作為熱交換器之一具體例之操 。第一種流體經流體連通埠42進入交換裝置中，且在整 封端32中之開口61處進入中空管。流體流經中空管之内 或内腔，且經過整體封端34，在離開開口 63處離開。第一 種流體經過流體連通埠4〇離開交換裝置。第二種流體經尚 外殼流體埠48及選用之流動分布器66進入交換裝置。第= 種流體藉it 2管之二表面及壁與第二種流體分離。第二 種流體經過連通器48進入外殼中，且實質的充滿外殼之Z 壁及纖維外徑間之空間。能量經過熱塑性中空管壁2第一 及第二種流體間傳遞。第二種流體經流體連通器ς5〇離^ 。流體之實例包含液體、液體之蒸氣、氣體及超臨界液體二 廠家由各種材料製造薄膜，最通常者為合成聚合物。合 成聚合物之重要種類為熱塑性聚合物，其在加熱時可产口 且模製，且冷卻後可回復其原有之固態性質。至、於其:動 作管或薄膜時之條件變得更嚴苛，因此限制可用之材料用 例如，在微電子工業中之晶圓塗佈所用之以有機溶劑為^ -13- 本纸張尺度適用中 ΐ國家標準(CNS) A4規格(210 X297公釐) 575725 A7 ___B7 五、發明説明（11 ) 之溶液或使某些聚合物管或薄膜溶化或膨潤且變弱。相同 工業中之高溫氣提槽包含高酸性及氧化性化合物，其會破 壞慣用聚合物之薄膜及管。 本發明之實務中使用外徑為〇〇〇7至〇·5英吋，且更好直 徑為0.025至0·1英吋，且壁厚為0〇01至〇1英吋，較好厚 度為0·003至0·05英吋之由熱塑性樹脂製成之中空管。管可 單獨使用或可藉由將管編排、摺疊或捲繞併用，形成包括 多條中空管之索。 本發明實務中所用全氟化熱塑性樹脂或其摻合物之實例 包含（但不限）[聚四氟伸乙基—共—全氟甲基乙烯基醚]， (MFA)，[聚四氟伸乙基-共—全氟丙基乙烯基醚]，（pFA)， [聚四氟伸乙基-共-六氟伸丙基]，（FEP)，及[聚亞乙烯基 氟化物]，（PVDF)。PFA Teflon® 及 FEP Teflon ⑧熱塑性樹 脂二者均由Wilmington, DE之杜邦製造。Neoflon® PFA為 購自〇8丨1^11工業之聚合物。^^六11&“〇11@為購自^101*(^3^， NJ之Ausimont USA Inc·之聚合物。預成形之MFA Hafl〇n⑧ 及 FEP Teflon⑧管係購自 0rangebury，sc•之 Zeus Industrial Products Inc.。本發明實務中所用之其他熱 塑性樹脂或其摻合物包含（但不限）聚（氣三氟乙烯亞乙烯 基氣化物）、聚乳化乙稀、聚烤烴如聚丙烯、聚乙稀、聚甲 基戊烯、超咼分子量聚乙烯、聚醯胺、聚砜、聚乙醚乙醚 酮及聚碳酸酯。 中空熱塑性管可注入導熱粉末或纖維，以增加其導熱性 。所用之導熱性材料之實例包含（但不限）玻纖、金屬氮化 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 575725 A7
物纖維、矽及金屬碳化物纖維，或石墨。本發明所用之中 空熱塑性管或經注入之熱塑性中空管之導熱性約大於每度 κ每米0· 05瓦。 本發明實務中供過濾及質傳應用如氣體接觸、液體除氣 及過蒸發用之中空管包含中空纖維薄膜。適用之薄膜包含 由[聚四氟伸乙基-共-全氟丙烯乙烯基醚]，（pFA)或超高分 子量聚乙烯（二者均購自Billerica，MA之Mykrol is公司） 製成之中空纖維。 較佳具體例中，經捲繞、摺疊或編排之管形成連續之索 。該索可捲繞在長方形金屬架上，如ff〇 〇〇/44479中所述， 平行面間之距離定義交換裝置之長度。將金屬架上之線圈 狀索放置於低於中空管熔點之烘箱中。該管在低於其熔點 之溫度下鍛燒接著冷卻使經編排、摺疊或捲繞管中之高峰 或彎曲固化成索。索狀管之鍛燒在溫度通常低於。。，更 好在100至200°C之間之熔點以下進行15至6〇分鐘，且更好 進行30分鐘。另一具體例中，在線軸上鍛燒經捲繞、摺疊 或編排之管。 本發明另一具體例中，經編排或捲繞之管可在第一步驟 中熱锻燒，接著使單獨之管在冷卻後彼此分離，形成自支 撐之螺旋狀或無週邊形單一管。熱鍛燒始終空管之高峰及 -曲固化，因此可使獨立之中空管或索在不拉直下分離及 處理。 本發明之一具體例中，中空管之經熱鍛燒及固化之索可 以美國專利第3, 315, 750號（在此提出供參考）中所述之方 -15- 本紙張尺度適财翻家辟(CNS) A4W(21GX 297公爱) 575725 A7 B7 五、發明説明（13 ) 法結合。索亦可以歐洲專利申請案〇 559 149 A1 (在此提出 供參考）中所述之射出模製法彼此結合或結合於外殼上。較 佳之具體例中，1/29/1 999申請之美國專利申請案第 60/1 17, 853號及W0 00/44479中所述之方法（在此提出供參 考）亦用於本發明之實務中。 本發明實務中之整體封端或單一終端結構一詞係用於敘 述其中已經結合或融合一或多中空管或索之熱塑性樹脂。 圖7說明融合於熱塑性樹脂中形成整體封端結構之中空管 ’及未融合於熱塑性樹脂之中空管之實例。美國專利申請 案第60/117，853號欽述與熱塑性樹脂結合之中空纖維。視 情況可將具有流體連通埠或熱塑性外殼之熱塑性端蓋與一 或多個整體之封端融合。本發明之目的係敘述一種包括中 空管、熱塑性樹脂及熱塑性外殼之整體封端。主要包含全 氟化熱塑性材料之形成單體之外殼係在放入及結合步驟之 前先預處理外殼二端之表面。整體封端結構（意指編排或捲 繞之管及放入係結合於外殼上，形成主要包含全氟化熱塑 性材料之單一體）係藉由在放入及結合步驟之前先預處理 外殼二端之表面。此係藉由將放入材料融熔結合於外殼上 達成。外殼二端之内表面加熱至接近其熔點或剛好其熔點 ，且立即浸入含購自 Thor〇fare，NJ·之Ausimont USA Inc. 之粉末狀[聚四氟伸乙基-共—全氟甲基乙烯基醚]熱塑性放 入樹脂之杯中。因為外殼之表面溫度高於放入樹脂之熔點 ，因此放入樹脂接著熔化成熱塑性外殼。接著取出外殼， 且以加熱搶拋光，使任何過量之未熔化熱塑性粉末熔化。 -16- 575725 A7 B7 五、發明説明（14 較好管之各端以該預處理處理至少二次。 將經鍛燒捲繞之中空管索插入聚（四氟伸乙基-共-全氟 (烷基乙烯基醚）），Teflon® PFA或MFA殼管中。該殼管視 情況具有與其表面融合形成輸入及輸出埠之流體配件。殼 管中管索之充填密度應在3-99體積！ϋ之間，更好為20-60體 積％之間。 &索放入及結合成外殼可在單一步驟中進行。較佳之熱 塑性樹脂放入材料為講自Thorofare，NJ·之Ausimont USA Inc·之Hyf Ion⑧MFA 940 ΑΧ樹脂。該方法包括將一部份具 有至少一封端之經鍛燒及捲繞之管索長度之束垂直置於在 容器中之融炼熱塑性聚合物之暫時凹處中。將中空管固定 於定義之垂直位置，保持熱塑性樹脂為融熔態，因此使其 可流入暫時凹處中，環繞中空管及垂直向上之纖維，完全 充填纖維與熱塑性聚合物間之空隙空間。暫時凹處為含有 融熔加入材料之凹處，其時間足以將中空管束放置及固定 ，接著以融熔熱塑性材料充填之凹處。凹處之暫存性可以 以所含加入材料之溫度、在中空管束放入過程中含加入材 料處之溫度控制、及加入材料織物理性質。中空管之終端 可=由密封塞密封，或在較佳具體例中以形成環狀密封。 s裝置之第一端放入且融合成包括中空管、外殼及熱塑 性樹脂之整體封端後，加入裝置之第二端。製程包含以外 加熱包或其他熱源，於約265r至約285t (較佳之溫度為約 270 C至約280°C )下加熱加熱杯中之放入樹脂，直到融熔物 變成透明且不含氣泡為止。將棒狀物插人融溶物巾n -17-
575725 A7 B7 五、發明説明（15 ) 凹處或空洞。接著將外殼及中空管束插入空洞中。重要的 是需注意此時中空管束及外殼均不與放入樹脂接觸。融熔 之樹脂藉由重力流動，一段時間後充填空洞，同時放入中 空管且與外殼融合。放入之端冷卻後，接著切割且暴露出 中空管之内腔。接著再使用加熱搶拋光放置之表面，以熔 掉任何污損或粗链之放入表面。針對具有大量中空管之摸 組，如2 0 0 0或更多，可能模组會有放入之缺陷，因此可使 闬清潔用烙鐵，使受損區域溶解且密合。 本發明另一具體例係使用由中空管組成之放入螺旋狀索 。第一步驟終將經捲繞及編排中空管之各端放入金屬模具 中。模具稍小於殼管之内徑，且可由鋁或鎳或類似之合金 製成。放入且冷卻後，移開模具。如上述般切割整體封端 中之中空管終端使其開啟。中空管之二端均放入後，將形 成之整體封端結構差入獄處理之MFA及PFA中殼外殼管或端 蓋中，且使整體封端在短的加熱製程中與外殼管或端蓋融 合。 圖3中說明之本發明較佳具體例中，係將至少一熱塑性管 66插入交換裝置之殼側之至少一流體配件48中。較好係將 管置於最接近配件之管束部分。該管可以與外殼熱結合或 壓入殼配件中。該管可用於改善裝置中流體之流動分布。 用於連通本發明之裝置與操作及製程流體源所用流體配 件包含（但不限）Flaretek®, Pillar®, Swagelock ⑧、VOC® 標準穿管配件或倒裝配件。較佳具體例中，係針對製程流 體提供二流體連通；供流體流入裝置中之一輸入連通及供 -18 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 575725 A7 ____B7 五、發明説明（16~) "" 流體自裝置流出之一輸出連通。製程流體可流經管或穿過 管之表面。製程流體之輸入及輸出連通可藉由熔接、螺紋 、凸緣或與整體封端融合或與熱塑性樹脂融合。若熱交換 裝置裝置外殼，則供製程流體用之輸入連通可藉由熔接、 螺紋或凸緣與外殼及/或整體封端融合。較佳具體例中，連 通係與外殼及/或整體封端融合。可裝置一或多個流體連通 ，供操作流體流經外殼，或供過濾之液體流出外殼。一或 多個供操作流體或過濾之流體流經外殼之連通可藉由溶接 、螺紋或凸緣與外殼融合。較佳具體例中，連通係與外殼融 合0 一般裎庠1 内徑為0·047英对且壁厚為〇·〇〇6英忖之預成型中空mf A 管係由Orangebury，SC·之 Zeus Industrial Products Inc. 取得。放置用之索係由手工捲繞此等中空Mfa管對，使每尺 之索獲得約12個轉折。使單一所繞著8英吋寬及18-27英吋 長之金屬架纏繞；可能在金屬架上纏繞約了5围之索^使該 架及纏繞之索在1 5 0 °C之烘箱中鍛燒3 〇分鐘。锻稍後自架上 取得各測量18-27英吋長之約75圈之索。集合單一架或多架 之索且進行先前之加熱處理，且MFa塗佈之PFA管測量長度 為16-25英吋。管之内徑為卜2· 25英吋，且1/4” FlareTek® 流體配件由PF A管之各端結合約2英吋。裝置之各端在約 2了5。(：下使羯 Hyf Ion® MFA 940 AX樹脂（購自 Thorofare, NJ i Ausiinont USA Inc.)放入約40小時。放入40小時後使各 端冷卻之速率控制在〇 · 21： /分鐘，到達1 5 0 X：。整體之封端 -19 · 本紙張尺度適用中關家標準(CNS) A4規格㈣X 297公爱) " ' 575725 A7 B7 五 、發明説明（17 經清除樹脂且使用車床或刀具機置放入裝置之終端部分使 中空管開口。放入交換器之流體配件係藉由將管旋在管之 各端上或藉由經端蓋熱熔在管之上製成。 實例1 以程序1製備具有1英吋内徑之PFA管之含外殼原型熱交 換器’但管並未經捲繞或鍛燒。裝置含150管之測量長度15 英吋之筆直MFA管。 在下列條件下測試原型。將63它之熱水以約175〇毫升/ 分鐘之流速加於裝置之管側。將溫度19<3(：之冷水以約1〇7〇 笔升/分鐘之流速加於裝置之殼側。熱水及冷水之路徑彼此 逆流。每五分鐘針對管及殼側之流體流紀錄輸入及輸出溫 度及流速一小時。該實驗之結果詳列於圖6中所示之表1中 。在此等條件下’冷水自18· 9°C加熱至38· 8°C，且二流體 間全部交換I486瓦之能量。 實例2 以权序1製備具有i英吋内徑之pFA管之含外殼原型熱交 換器仁其a有每英尺具有約12捲之捲繞在一起之約150 條中工MFA官。捲繞之索在金屬架上鍛燒，獲得約75條測量 長度約1 5英吋之索。 在下列條件下測試原型。將55°C之熱水以約1 650毫升/ t鐘之加於裝置之管側。將溫度19°C之冷水以約1〇7〇 t 2/分^鐘之流速加於裝置之殼側。熱水及冷水之路徑彼此 逆/瓜4母玉'分鐘針對管及殼側之流體&紀錄輸入及輸出； 又及机速小日丁。該實驗之結果詳列於圖Θ中所示之表i中 裝 訂 %
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。在此等條件下，冷水自18.9cC加熱至44 (rc，且二法 間全部交換1874瓦之能量。 ~ f例3 下列實例顯示包含本發明交換裝置之晶圓加工工具如和 用於加熱用於清洗半導體晶圓之液體。 可 具有約650捲繞中空MFA管（325對）之交換裝置可經熱鍛 燒，且使用程序1之方法與内徑2英吋之PFA融合。裝置之長 度可約18英吋，且液體體積約3〇〇毫升。裝置係晶圓加工工 具之部分，且在其輸入流體連通處與連線之含約丨體積％之 過氧化氫之10%鹽酸水溶液連接。交換裝置之排出口與閥 (視情況為終止之吸氣逆止閥）及將酸水溶液分布於欲清潔 之基材上之噴嘴相通。交換裝置之殼側上之流體輸入連通 之一係與熱水源連通。熱去離子水一般係在約75艺之溫度 下用於半導體工廠中。熱水通過交換裝置之殼側，加熱交 換裝置之管中所含之酸溶液。改變流體未流過之時間後， 開啟交換裝置出口處之閥，且將加熱之酸水溶液及氧化劑 刀布於日日圓上，於該處清潔晶圓。將閥關閉且使液態酸及 氧化劑流入交換裝置之中空管中，且於該處加熱以利下一 分布。 實例4 下列實例顯示如何使用熱鍛燒、摺疊之孔性空PF A管製造 供交叉流動過濾用之交換器。 以程序1製備具有1英吋内徑之PFA管之含外殼原型過濾 裝置’但以賭自 Billericia，MA 之 Mykrolis Corporation -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210x 297公釐) 575725 A7 B7 五、發明説明（19 ) 之外徑550微米之150條中空多孔性PFA纖維取代非多孔性 中空MFA管。中空之纖維可每一股折疊3次，且可纏繞在測 量長度為15英吋之架上。摺疊及捲繞之中空纖維可在約 150°C下熱鍛燒，使摺疊及中空纖維之長度固定。將經熱鍛 燒及摺疊之中空纖維依WO 0044479中揭示之方法組合成裝 置。 該裝置之外殼含輸入及輸出埠連通，供含有不可溶懸浮 物質如膠體、凝膠、或硬質顆粒之流體之流動。含懸浮固 態顆粒之流體實例包含化學機械拋光漿料中之氧化鋁，流 體中膠體之實例可包含氧化矽。含不可溶懸浮材料之流經 孔性中空纖維管之内側。外殼具有單一流體流動埠連通， 供過濾之液體流出外殼。一部分含懸浮固體之液體流過摺 疊之多孔性中空管；部分固體被多孔性薄膜留下，且部分 經過濾之液體流過薄膜且離開外殼上之流體埠。 實例5 下列實例顯示如何使用熱鍛燒、摺疊之多孔性中空PFA 管製造供氣體質傳入液體用之交換裝置。 以程序1製備具有1英吋直徑之PFA管之含外殼原型過濾 裝置，但以購自 Billericia，MA 之 Mykrolis Corporation 之外徑550微米之150條中空多孔性PFA纖維取代150條中空 MFA管。中空之纖維可每一股折疊3次，且可纏繞在測量長 度為15英吋之架上。摺疊及捲繞之中空纖維可在約150°C下 熱鍛燒，使摺疊及管之長度固定。將經熱锻燒及摺疊之中 空纖維依W0 0044479中揭示之方法組合成裝置。 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 575725 A7 B7 五、發明説明（20 ) 該裝置之外殼含輸入及輸出埠連通，供去離子水流經多 孔性中空纖維管之内部。可使用外殼二埠之一連通以臭氧 產生機（例如購自Astex，Woburn，MA之Astex 8400臭氧產 生機產生之臭氧氣體源。臭氧氣體藉由伸過多孔性摺疊之 中空PFA管溶於水中。過量之臭氧氣體經過外殼之第二埠抽 除。離開管内部之水含有溶於水中之臭氧氣體。該臭氧化 之水係使用改良之RCA清洗製程_，用於清洗晶圓。 實例6 該實例說明具有二十條薄壁中空PFA管之熱交換裝置。該 裝置係用於連線之熱流動之水。 使用長度17英吋之0.5英吋0D之PFA管作為外殼導管。外 殼導管具有輸入及輸出埠。外殼導管使用PFA放入材料於各 端處與26條壁厚0. 15毫米之0D為1. 05毫米之PFA管融合。在 流經外殼之二分離流中設置二J-型熱電偶。其一熱電偶係 與交換裝置外殼導管之輸入埠連通，且第二熱電偶係與加 熱器裝置外殼導管之輸出埠連通。操作製程中，水流經輸 入之熱電偶外殼，進入交換器裝置外殼，且經過中空管。 操作或交換之流體通過輸入之熱電偶外殼，且依逆向方式 進入外殼之殼側，於其中與中空管之外面接觸。交換或操 作流體接著通過外殼導管之殼側之輸出埠，且經過第二輸 出熱電偶外殼。製程之水流經交換裝置管，經過第二輸出 熱電偶外殼離開管。針對流入裝置殼側之溫度約1 6°C且流 速為每分鐘1 000毫升之水，在溫度55. 5 °C下以流速每分鐘 260毫升流入管中之水離開管時冷卻置33. 1°C。該裝置在不 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 575725 A7 B7 五 發明説明（21 同管側流速下之效能列於圖8中。 實例7 該實例說明具有680薄壁中空MFA管之本發明熱交換裝置 。該裝置係用於冷卻連線之流動水。 以程序1製備内徑2.25英吋且長度32英吋之具有PFA外殼 之原型熱交換裝置，但其含有約680條捲繞成每米具有約12 捲之中空MFA管。該捲繞之索在金屬架上鍛燒，得到測量長 度約34英吋之索。外殼殼側上之輸入流體配件為1 /2" Flaretek®;其分離27英吋，且與裝置之終端距離2.5英吋 。管側流動之外殼流體配件為3/4" Flaretek®，且與外殼 管融合。 在下列條件下測試原型。以流速約每分鐘4. 4升將溫度 70. 1°C之熱水飼入裝置之管側。溫度為14. 5°C之冷水以每 分鐘約6. 6升之流速飼入裝置之殼側。熱水及冷水之路徑彼 此為逆相流動。使用Agi lent數據對數紀錄輸入及排放溫度 及流速。該實驗結果詳述於圖9之表中。此等條件下，管中 之熱水由70. 1°C冷卻至22. 9°C，且二流體間交換之全部能 量為14, 400瓦。該裝置在其他流速下之效能列於圖9中。 -24- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)
裝 訂

Claims (1)

  1. 575725 A8 B8 第091122625號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(92年10月）思 々、申請專利範圍 1. 一種交換裝置，其包括： 許多非多孔性熱塑性中空管，各管均具有第一端部分 及第二端部分及穿越其間之空洞； 煩請委員玥示β提之 修尽svaoI步公内容？是否准予修正？ 該中空管之該第一端部分至少在其周圍經熱塑性樹 脂融合，形成整體封端，其中該中空管之第一端部分 係與該熱塑性樹脂以融合方式經流體緊密結合在一 起，及該中空管之該第二端部分至少在其周圍經熱塑 性樹脂融合，形成整體封端，其中該中空管之第二端 部分係與該熱塑性樹脂以融合方式經流體緊密結合 在一起， 該整體封端具有穿過孔洞與該管中空之未結合部分 相通；及 該整體封端具有供給第一種流體於該中空管之第一 端之第一流體輸入連通，及自該中空管之第二端移除 該第一種流體之第一流體輸出連通。 2. 如申請專利範圍第1項之交換裝置，尚包括： 與含該中空管之該整體封端之至少之一融合之外殼 ，該外殼具有至少一將至少一流體傳送經過交換裝置 之連通埠。 3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該熱塑性中空管為 無週邊。 4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該熱塑性中空管摺 疊成索。 5. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該熱塑性中空管摺 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 8 8 8 8 A B c D 575725 六、申請專利範圍 疊成索，且經熱鍛燒固定摺疊。 6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該中空管包括選自 由[聚四鼠伸乙基-共-全氣甲基乙缔基酸]、[聚四鼠1伸乙 基-共-全氟丙基乙烯基醚]、[聚四氟伸乙基-共-六氟丙 晞基]、聚丙晞、聚甲基戊晞、及超高分子量聚乙婦所 組成之群之熱塑性樹脂或其摻合物。 7. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中至少一熱塑性中空 管為無週邊。 8. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該熱塑性管滲以導 熱物質。 9. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該中空管之該第一 端部分至少在其周圍經熱塑性樹脂融合，形成整體第一 封端及其中該中空管之該第二端部分至少在其周圍經 熱塑性樹脂融合，形成整體第二封端。 1 0.如申請專利範圍第2項之裝置，其中至少一外殼流體連 通具有流體流動分布用之插入物。 11.如申請專利範圍第2項之裝置，其中之熱塑性中空管為 無週邊。 1 2.如申請專利範圍第2項之裝置，其中之熱塑性中空管摺 疊成索。 1 3.如申請專利範圍第2項之裝置，其中之熱塑性中空管摺 疊成索，且經熱鍛燒固定摺疊。 1 4.如申請專利範圍第2項之裝置，其中該中空管包括選自 由[聚四氟伸乙基共-全氟甲基乙晞基醚]、[聚四氟伸乙 -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
    575725 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 基-共-全氟丙基乙婦基酸]、[聚四氟伸乙基-共-X氟丙 稀基]、聚丙婦、聚甲基戊烯、及超高分子量聚乙晞所 組成之群之熱塑性樹脂或其摻合物。 1 5.如申請專利範圍第2項之裝置，其中至少一熱塑性中空 管為無週邊。 1 6.如申請專利範圍第2項之裝置，其中該熱塑性管滲以導 熱物質。 1 7.如申請專利範圍第2項之裝置，其中該中空管之該第一 端部分至少在其周圍經熱塑性樹脂融合，形成整體·第一 封端及其中該中空管之該第二端部分至少在其周圍經 熱塑性樹脂融合，形成整體第二封端。 18. —種交換裝置，其包括： 許多多孔性熱塑性中空管，各中空管均具有二端部分 及穿越其間之空洞且至少一管為無週邊； 該中空管之該端部分至少在其周圍經熱塑性樹脂融 合結合而形成至少一整體封端，其中該中空管之終端 部分係與熱塑性樹脂以融合方式緊密的融合； 該整體封端具有穿過孔洞與該管中空之未結合部分 相通；及 該整體封端具有供給第一種流體於該中空管之第一 流體輸入連通p 19. 如申請專利範圍第18項之裝置，其中該熱塑性中空管經 摺疊。 2 0. —種製造交換裝置之方法，其包括： -3- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
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    575725 々、申請專利範圍 使一或多無週邊熱塑性中空管之端部分與熱塑性樹 脂融合，形成至少一整體封端，其中該中空管之端部 分以融合方式與熱塑性樹脂經流體緊密給合，該管具 第一端部分及第二端部分及穿越其間之空洞； 切開第一及第二整體封端之管端，使流體可流經與熱 塑性樹脂融合之中空管。 2 1.如申請專利範圍第20項之方法，其中該管包括選自由[ 聚四氟伸乙基-共-全氟甲基乙晞基醚]、[聚四氟伸乙基-共-全氣丙基乙缔基酸]、[聚四鼠伸乙基-共氣丙細基 ]、聚丙稀、聚甲基戊晞、及超高分子量聚乙烯所組成 之群之熱塑性樹脂或其摻合物。 22.如申請專利範圍第20項之方法，其中與該熱塑性樹脂融 合之該中空管之開口端實質上具有與中空管未結合部 分相同之剖面。 2 3.如申請專利範圍第20項之方法，其中該熱塑性中空管包 括選自摺疊管，經熱鍛燒摺疊管，索，個別無週邊管及 其組合之群組。 24.如申請專利範圍第23項之方法，尚包括形成包括多數個 該熱塑性中空管之束之行為。 2 5.如申請專利範圍第20項之方法，其中該熱塑性中空管， 且再與熱塑性樹脂結合成無週邊中空管之管束。 26. 如申請專利範圍第20項之方法，尚包括使至少一流體連 通埠與該整體封端結合。 27. 如申請專利範圍第26項之方法，尚包括使熱塑性外殼與 - 4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
    8 8 8 8 ABCD 575725 々、申請專利範圍 該第一及第二整體之封端結合。 28. —種使用如申請專利範圍第1或18項之交換裝置供進行 第一種流體與第二種流體熱傳之方法，該方法包括： 使第一種流體在該熱塑性中空管之第一面上流動； 使第二種流體在該熱塑性中空管之第二面上流動； 在該第一種及第二種流體間經過熱塑性中空管之壁 傳送能量。 29. 如申請專利範圍第28項之方法，其中至少一該流體為光 阻劑、抗反射塗層、光阻去除劑、或光阻劑顯像劑。 3 0.如申請專利範圍第28項之方法，其中至少一該第一種流 體係在介電質上旋鍍物。 31. 如申請專利範圍第28項之方法，其中至少一該流體包括 銅離子。 32. 如申請專利範圍第28項之方法，其中至少一該流體係選 自由酸、驗、氧化劑及其混合物所組成之群。 33. 如申請專利範圍第28項之方法，其中至少一該流體為有 機液體。 34. 如申請專利範圍第28項之方法，其中至少一該流體係選 自由惰性氣體、水、聚乙二醇組合物及蒸氣所組成之群 〇 35. 如申請專利範圍第28項之方法，其中至少一流體為氣體 〇 36. —種使用如申請專利範圍第18項之交換裝置供交叉流 動過滤流體之方法’該方法包括· -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)
    575725 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 使含不可溶懸浮物質之第一種流體在該中空多孔性 管之第一面上流動；及 經過該中空多孔性管過濾一部分該第一種流體，該中 空多孔性管留住一部分不可溶懸浮之物質，且使一部 分該流體通過多孔性管。 37. 一種使用如申請專利範圍第1 8項之交換裝置供流體間 質傳用之方法，該方法包括： 使第一種流體在該中空多孔性管之第一面上流動； 使第二種流體在該中空多孔性管之第二面上流動；及 使一部分第二種流體溶於該第一種流體中。 38. 如申請專利範圍第37項之方法，其中之第一種流體為水 溶液，且第二種流體為氣體。 3 9. —種適合與流體流動導管連線連通之交換裝置，其包 括· 裝置流體配件之外殼； 位在該外殼中之交換蕊，該交換蕊含許多由熱塑性樹 脂製造之無週邊之管； 該管具有在其週邊與熱塑性樹脂融合，形成整體封端 之二終端部分，其中該無週邊管之終端部分係依使流 體連通過之融合方式與流體緊密結合；及 該外殼具有供給第一種流體於交換蕊端之該第一終 端之第一流體輸入，及自該無週邊管移除該接觸之第 一種流體之第一流體輸出連通，且該外殼具有低一種 流體輸出連通，以供給與該第一種流體接觸之第二種 -6 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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    575725 8 8 8 8 A B c D 六、申請專利範圍 流體於外殼内壁及無週邊管之間形成之該體積中，及 移除該第二種流體之第二輸出連通。 40. 一種包括申請專利範圍第1、18或39項任一項之交換裝 置之晶圓加工用裝置。 41. 一種製造具有增加邊界層崩解之熱塑性中空管之方法 ，該方法包括： 固定交換裝置用之熱塑性管；及 使中空管之結構扭曲，使其變成無週邊。 -7- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
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