TWI803864B - 空氣通道膜蒸餾器及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種空氣通道膜蒸餾器，包括：熱表面、冷卻部和疏水膜。熱表面和疏水膜限定了密封的蒸發通道。冷卻部的表面和疏水膜限定了密封的冷凝通道。供水管連接到蒸發通道。排水管連接到蒸發通道。淨化水排放管連接到冷凝通道。冷卻部的表面的溫度低於蒸發通道中水的溫度。用於惰性氣體的氣體供應裝置包括加熱器。氣體管道系統配置在冷凝通道的氣體入口上，以使得能夠用惰性氣體至少沖洗冷凝通道。本發明還提供一種空氣通道膜蒸餾器的操作方法。

Description

空氣通道膜蒸餾器及其操作方法

本發明是有關一種用於生產淨水的裝置和方法，尤其是一種膜蒸餾器和用於膜蒸餾器的操作的方法。

在半導體生產中，晶片沿著生產線在一系列階段中被進行處理。在生產線的某些位置上包括清洗步驟，以用超純水清洗晶片。

晶片有著越來越小的結構以接納更快、更便宜和節能的電子解決方案的要求。然而，由於即使很小的污染也可能引起電路故障(例如，短路)，因此施加較小的晶片的電子線路寬度也要求更有效的清洗。滿足此類要求的常規方法是使用越來越多的超純水進行清洗。大量的水已經成為半導體工業中的問題，特別是對於產生大量的超純水的需求以及在處理大量的用過的洗滌水方面。用於洗滌目的的已用過的水可能包含有害物質，應以適當的方式進行處理。

目前已有不同種類的過濾器和去離子設備於產生這些大量的洗滌水。在典型情況下，在潔淨室生產區域附近設有大型中央超純水生產單元，生產出的水通過管道輸送到進行清洗的地點。

當要生產具有較小線寬的半導體時，將會遇到如何提供適當清洗並處理大量水的問題。

在美國專利申請US 2017/023239 A1中，公開了一種用於在蒸餾設備中使膜壁再生的方法。蒸餾設備具有多個蒸發和冷凝階段。每個蒸發和冷凝階段均具有引導液體的流動通道。流動通道由透蒸汽和不透液的膜壁限制，其中從液體中流出的蒸汽穿過膜壁。從流動通道中除去液體。除去液體之後，膜壁在兩側被氣體氣氛(gas atmosphere)包圍，但是仍然被液體潤濕。液體可通過調節圍繞膜壁的氣體氣氛來去除，以使氣體氣氛中的液體的分壓低於潤濕膜壁的液體的蒸氣壓。然而，如此產生的水的純度通常不足以應用於，例如，半導體行業。

本發明的總體目的是在半導體生產線中提供用於洗滌目的的淨化水的方法和裝置，使半導體生產線能使用更少量的水。

上述目的是通過根據獨立請求項的方法和設備來實現的。優選的實施例在附屬請求項中定義。

一般而言，在第一方面，一種空氣通道膜蒸餾器包括熱表面、冷卻部和疏水膜。疏水膜的孔隙的直徑小於1μm，優選的小於500nm，最優的選小於100nm。熱表面被機械地配置到由密封的蒸發通道隔開的疏水膜上。冷卻部的表面被機械地配置到由密封的冷凝通道隔開的疏水膜上。供水管連接到蒸發通道的進水口。排水管連接到蒸發通道的出水口。淨化水排放管連接到冷凝通道的出水口。冷卻設備用於將冷卻部的表面冷卻至低於蒸發通道中的水的溫度。空氣通道膜蒸餾器還包括用於惰性氣體的氣體供應裝置。氣體供應裝置包括用於加熱惰性氣體的加熱器。氣體管道系統連接到氣體供應裝置並且配置到冷凝通道的氣體入口，用於使惰性氣體至少沖洗冷凝通道。

在第二方面，將根據第一方面的空氣通道膜蒸餾器用於半導體生產設備中。

在第三方面，一種用於操作空氣通道膜蒸餾器的方法，包括以下步驟：在淨化水生產期間提供水至蒸發通道；在淨化水生產期間，冷卻冷凝通道至低於水的溫度，其中該蒸發通道通過疏水膜與冷凝通道分隔，疏水膜的孔徑小於1μm，優選的小於500nm，最優選的小於100nm，從而水蒸氣從蒸發通道通過疏水膜到達冷凝通道；在淨化水生產期間，排放在冷凝通道中的冷凝水。所述方法還包括以下步驟：加熱惰性氣體；在完成淨化水生產期間之後，使加熱的惰性氣體至少流動通過冷凝通道，從而除去任何殘留的水。在下一個淨化水生產週期之前，停止惰性氣體的加熱和流動。

本發明的一個優點是允許淨化水直接與使用地點相連，並按需求及時生產。本發明的其他優點可經由詳細閱讀本說明書而得出。

1:空氣通道膜蒸餾器

10:加熱塊

10A:外部加熱塊

100:半導體生產廠

102:生產階段

12:熱表面

14:加熱元件

16:絕緣層

2:熱水

20:冷卻部

21:入口

22:表面

23:聚合物膜

24:冷卻設備

25:冷卻介質供應管

26:冷卻通道

27:出口

28:冷卻介質排出管

29:冷卻塊

202、204、206:曲線

3:水蒸氣

30:疏水膜

32:排放裝置

34:出水口

36:加水管

38:新水

39:廢水

4:孔隙

40:蒸發通道

41:蒸發側壓力傳感器

42:供水管

44:進水口

45:氣體入口

46:排水管

48:出水口

49:氣體出口

5:冷凝水

50:冷凝通道

51:冷凝側壓力傳感器

55:氣體入口

56:淨化水排放管

57:氣體出口

58:出水口

59:排氣閥

6:熱惰性氣體

60:氣體供應裝置

62:加熱器

64:氣體管道系統

68:惰性氣體排放管道裝置

70:惰性氣體

71-76:聚合物框和/或板

77:孔

78:螺釘元件

80:控制器

81:洗滌水管

82:洗滌水

83:淨化水

90:冷卻介質供應器

S2、S4、S6、S12、S13、S14、S15、S30:步驟

S10:淨化水生產期間

S20:待機期間

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1A-1B示意性地示出了空氣通道膜蒸餾的基本概念。

圖2示意性地示出了空氣通道膜蒸餾器的實施方式。

圖3示意性地示出了將熱的惰性氣體引入冷凝通道中。

圖4示意性地示出了冷卻設備的實施例。

圖5示意性地示出了冷卻設備的另一實施例。

圖6示意性地示出了加熱塊的實施例。

圖7是用於操作空氣通道膜蒸餾器的方法的實施例的步驟流程圖。

圖8示意性地示出了具有多個蒸發通道和冷凝通道的空氣通道膜蒸餾器的實施例。

圖9示意性地示出了具有多個蒸發通道和冷凝通道的空氣通道膜蒸餾器的另一實施例。

圖10A示意性地示出了基於聚合物框和板的堆疊的空氣通道膜蒸餾器的實施例。

圖10B-G示意性地示出了圖10A的實施例的單個聚合物框和板。

圖11示意性地示出了蒸發通道和冷凝通道中的壓力傳感器。

圖12是示意性地示出了分別與功能齊全的、阻塞的和損壞的疏水膜接觸的體積的壓力隨時間變化的圖。

圖13示意性地示出了水在空氣通道膜蒸餾器中的再循環。

圖14示意性地示出了半導體生產廠中水的再利用。

在所有附圖中，相同的附圖標記用於相似或相應的元件。

為了能更好的理解本發明所提出的技術，本發明將從簡要概述使用清水進行洗滌的概念開始。

如上所述，現有技術的半導體生產的總體趨勢是提供更大的淨化水供應裝置。由於在潔淨室環境中較不方便提供這些更大的淨化水供應裝置，因此必須使用相對較長的管道將淨化水輸送到清洗位置。

現在已知淨化水在實際存儲和運輸中會被污染。僅由於來自水箱本身的污染，在水箱中存儲了一段時間的淨化水會相對較快地變得純度較差。同樣，無論管道的特性或材料如何，在將淨化水輸送到管道中時，水 的純度都會迅速下降。當然，一些經過精心選擇的材料會降低污染率，但是依舊存在一定程度的污染。

因此，替代方法是在將要使用的場所的鄰近處提供新鮮產生的淨化水，並且此新鮮產生的淨化水以與生產線洗滌步驟一致的數量和時間來被提供。這方法能將更高純度的淨化水提供給洗滌程序，而這已被證明可大大減少所需的洗滌水量。通過提供極高純度的水，可大大減少用於洗滌的水的體積。

然而，此方法依賴於在指定的時刻在指定的位置處提供指定量的新鮮生產的淨化水的可用性。由於洗滌發生在生產線的潔淨室區域內，因此如果淨化水生產單元本身也可以設置在潔淨室區域內將是有益的。而將淨化水生產單元設置在潔淨室區域內將對一些現有的有用技術造成限制。

膜蒸餾器因長期以來用於淨化水而為人所知。迄今為止，由於典型的膜蒸餾器體積龐大且與其他替代方案相比淨化速度相對較慢，因此尚未將其用於半導體工業生產淨化水。然而，根據上述替代方法，如果在時間和地點上能匹配淨化水的提供，則可以使每個洗滌步驟的淨化水的量保持較小。現有技術的膜蒸餾器通常以連續運行模式使用。然而，在本發明中，膜蒸餾器在需要以相對較長的不工作期間之間間歇地提供超純水。但是，如今的膜蒸餾器通常啟動起來很慢，並且可能需要進行一些內部沖洗才能用於批量生產。因此，在本發明中一些改進將是有益的。這些改進可通過本文提出的技術特徵來提供。

為了理解空氣通道膜蒸餾器的細節，首先結合圖1A和圖1B提出主要的操作概念。空氣通道膜蒸餾器1基本上包括兩個通道，亦即蒸發通道40和冷凝通道50。蒸發通道40和冷凝通道50由疏水膜30隔開。疏水膜30具有孔隙4，其通常直徑小於1μm。通常而言較小的孔隙通常會產生更好的純 度，但同時也會降低生產速度。考慮到純度，優選的孔隙4的直徑小於500nm，最優選的孔隙4的直徑小於100nm。

加熱後的水被供應到蒸發通道40中。孔隙4的尺寸小到足以阻止水直接流到冷凝通道50。如圖1B所示，熱水2由於孔隙4上的表面張力而無法進入孔隙4中。然而，水蒸氣3的蒸發在溫水的表面處發生，並且此蒸發的水蒸氣3不受任何表面張力的阻礙，因此可以穿過孔隙4。當水蒸氣3進入冷凝通道50時，水蒸氣3將經歷低溫的表面，例如，冷卻部20的表面22。結果將是水在表面22上重新冷凝成冷凝水5。當冷凝水5的量足夠大時，淨化水的液滴將形成並通過冷凝通道50掉落並離開膜蒸餾器。此部分可根據大多數現有技術的空氣通道膜蒸餾器實現。

當現有技術的空氣通道膜蒸餾器的淨化水生產期間結束時，熱水被停止提供，並且不再發生蒸發的水蒸氣3通過孔隙4而被進一步輸送。如此，淨化水的生產停止。但是，一定量的冷凝水可能仍會粘附在表面22上。如果允許此冷凝水與表面22保持接觸，則污染物將從表面22溶解到冷凝水5中。當再次啟動空氣通道膜蒸餾器1，則空氣通道膜蒸餾器1將會一開始提供污水。為了防止上述情況可以通過沖洗或簡單地丟棄第一批生產的水來解決。但是，這樣的程序將減慢啟動時間並增加廢水量。

本發明的技術提供了避免上述缺點的手段。在圖2中，示意性地示出了本發明空氣通道膜蒸餾器1的實施例。空氣通道膜蒸餾器1包括加熱塊10、冷卻部20和疏水膜30。與前述類似，疏水膜30包括直徑小於1μm，優選的小於500nm且最優選的小於100nm的孔隙4。加熱塊10的熱表面12機械地設置到由密封的蒸發通道40隔開的疏水膜30上。冷卻部20的表面22機械地設置到由密封的冷凝通道50隔開的疏水膜30上。

供水管42連接到蒸發通道40的進水口44。排水管46連接到蒸發通道40的出水口48。淨化水排放管56連接到冷凝通道50的出水口58。如下面將進一步討論的，冷卻部20的表面22配置成被冷卻至低於蒸發通道40中的水溫的溫度。

在操作期間，在某些應用中冷凝通道50中可能會形成超壓。這種超壓將抵消蒸發水經由孔隙4進入到冷凝通道50。因此，在一優選實施例中，冷凝通道50包括排氣閥59。排氣閥59僅在淨化水生產期間被打開。

空氣通道膜蒸餾器1還包括用於惰性氣體70的氣體供應裝置60。惰性氣體70通常是乾燥的氮氣或任何稀有氣體。氣體供應裝置60包括加熱器62，用於加熱惰性氣體70。氣體管道系統64通過氣體入口55連接在氣體供應裝置60和至少冷凝通道50之間。氣體管道系統64配置成能夠用惰性氣體70中洗冷凝通道50。具一定溫度的惰性氣體70將使冷凝通道50中殘留的任何再冷凝水再次蒸發，並跟隨惰性氣體70從空氣通道膜蒸餾器1穿過冷凝通道50的氣體出口57進入惰性氣體排放管道裝置68，從而防止污染物從表面22溶解。當再次開始生產淨化水時，冷凝通道50則可從一開始就提供最高品質的淨化水。

在圖3中，示意性地示出了在剛剛結束淨化水生產期間之後的空氣通道膜蒸餾器1中的情況。熱惰性氣體6流動通過冷凝通道50以基本上通過再蒸發除去任何殘留的水。一些熱惰性氣體6也確實會滲透疏水膜30並通過蒸發通道40離開。如將在下面進一步討論的，氣體滲透的速率可能受到膜損壞和/或污染的影響，因此可以用於提供監測的功能。

在一特定實施例中，也可以在蒸發通道40中用乾燥的惰性氣體沖洗。如此，氣體管道系統64將連接到蒸發通道40的氣體入口45，並且惰性氣體排放管道裝置68也連接到蒸發通道40的氣體出口49。這種配置可有益 於幫助維持孔隙4的操作效率。如果污染物附著在蒸發通道40部位的孔隙4的末端，污染物將阻止蒸發水進一步通過孔隙4傳輸，從而降低空氣通道膜蒸餾器1的效率。去除熱水後可能也會殘留污染物，因而當空氣通道膜蒸餾器1再次啟動時，污染物將再次阻止孔隙4的功能。經由通過蒸發通道40供應熱氣，一些此類污染物可能會被蒸發，從而在下一個使用間隔內打開孔隙4。

請回到圖2。空氣通道膜蒸餾器1的循環優選地由控制器(CTRL)80執行。控制器80用於在淨化水生產期間結束時控制氣體供應裝置60以通過氣體管道系統64供應惰性氣體70。控制器80還控制氣體供應裝置60以在開始淨化水生產期間之前停止供應惰性氣體70。

冷凝通道50的有效地乾燥取決於兩個主要特性，亦即，惰性氣體溫度的升高將增加去除殘留水的速率，同樣，惰性氣體氣流的增加也將具有相同的效果。因此，可以控制這些特性中的任何一個或兩者，以便為各種不同應用找到合適的條件。換句話說，控制器80可用於控制由氣體供應裝置60供應的惰性氣體70的氣體流速和氣體溫度中的至少之一。

淨化水生產期間結束後用熱氣沖洗冷凝通道的主要目的是縮短開始新的淨化水生產期間時的啟動時間。由於在現場以適當的量及時提供淨化水的一般方法取決於能否快速啟動，因此這種沖洗對淨化水生產是有利的。

還有其他減少啟動時間的方法。例如，當新的淨化水生產期間開始熱水再次進入蒸發通道時，優選的，熱水從下方(即，通過供水管42)被提供。從下方開始提供熱水到蒸發通道40，則疏水膜30的下部開始按預期立即運行。從下方提供熱水到蒸發通道40可確保了整個蒸發通道40被水填充而不會有大量的殘留氣體。此外，可以在不使蒸發通道40暴露於任何 過大壓力的情況下執行這種完全填充。施加到疏水膜30的唯一壓力來自蒸發通道40內的水壓本身。因此，施加在疏水膜30上的機械力被最小化，從而最小化膜的彎曲並最小化機械損傷膜的風險。

換句話說，優選的，蒸發通道40的進水口44設置在蒸發通道40的下端，並且蒸發通道40的出水口48設置在蒸發通道40的上端。

還有其他方式可以採用來進一步加速啟動過程。請參考圖4，其配置有冷卻設備24，用於將冷卻部20的表面22冷卻至低於蒸發通道40中的水溫的溫度。在典型的配置中，冷卻介質供應器90通過冷卻介質供應管25提供冷卻介質到冷卻設備24，並且冷卻介質通過冷卻介質排出管28離開冷卻設備24。冷卻設備24由此流動的冷卻介質冷卻，而表面22也被冷卻。冷卻介質可以是水，並且可以存在用於回收冷卻介質的裝置。然而，此處的細節對於本發明的其餘技術不是特別重要，因此不再進一步討論。本領域技術人員可意識到配置這種冷卻設備的多種可能性。

優選的，還可將冷卻設備設計成用於實現快速啟動。圖5示出了具有優選設計的冷卻設備24的一實施例。在此實施例中，冷卻部20包括面對冷凝通道50的聚合物膜23。因此，表面22是聚合物膜23與冷凝通道50接觸的表面。冷卻塊29機械地設置到由密封的冷卻通道26隔開的聚合物膜23上。冷卻介質供應管25連接到冷卻通道26的入口21。冷卻介質排出管28連接到冷卻通道26的出口27。

選擇使用聚合物作為分隔冷卻通道26和冷凝通道50的材料是基於聚合物是柔性的並且可以容易地經受微小的形狀變化而不破裂。而且，通常可以針對諸如粘合性和光滑度的性質來定制聚合物表面。由於表面22是發生水蒸氣的再冷凝的地方，因此聚合物膜23的特性可以優選地相應地進行調整。為了具有較高的冷卻效率，優選地具有較薄的聚合物膜23。由於 聚合物通常具有較低的導熱能力，因此目前優選地認為厚度小於60μm。更優選地使用小於40μm，並且最優選地小於30μm的厚度。

聚合物膜23的表面光滑度也可能影響將水滴保持在表面22上的趨勢。較光滑的表面22通常將增加水滴沿著冷凝通道50向下流動的趨勢，而較粗糙的表面22則將維持著較大的水滴。因此，面對冷凝通道50的表面22的表面粗糙度優選地小於30μm，更優選地小於10μm，最優選地小於5μm。所述表面粗糙度定義為在表面輪廓中測得的波峰和波谷的均方根(root mean square，RMS)。

冷卻介質由根據公知的現有技術設置的冷卻介質供應器90提供。優選地，冷卻介質排出管28被重新連接至冷卻介質供應器90，以使冷卻介質再循環。

冷卻介質的供應優選地與空氣通道膜蒸餾器1的其餘部分的操作週期同步。當淨化水生產期間結束並且要去除冷凝通道50中殘留的再冷凝水時，優選地，不再對表面22進行冷卻。停止對表面22進行冷卻可以很容易地通過停止冷卻介質通過冷卻通道26的流動並排空冷卻通道26來達成。然後，排空的冷卻通道26還充當表面22和冷卻塊29之間的絕熱材料。然後，可以在不生產期間保持冷卻塊29的溫度而不會顯著影響表面22的溫度，然後可以將表面22升至較高的溫度以幫助蒸發剩餘的水。在開始新的淨化水生產期間時，可以將冷卻介質重新引入到冷卻通道26中，並且僅需要冷卻薄的聚合物膜23。這減少了空氣通道膜蒸餾器1的啟動時間。

在一優選實施例中，前述週期同步操作由與用於熱惰性氣體控制的控制器相同的控制器來管理。在本實施例中，冷卻介質供應器90連接到冷卻介質供應管25。然後，控制器80還用於在完成淨化水生產期間時停止 冷卻介質的任何供應，並且在下一個淨化水生產期間時開始冷卻介質的供應。

空氣通道膜蒸餾器1的啟動時間還受蒸發通道40的配置影響。加熱塊10設置成與蒸發通道40接觸，以幫助維持進入蒸發通道40的水的高溫。在圖6中，示意性地示出了加熱塊10的實施例。在本實施例中，加熱塊10通過在其不面對任何蒸發通道40的側面上的絕緣層16被熱絕緣。在本實施例中，加熱塊10包括加熱元件14。與蒸發通道40的接觸部分有助於將水保持在高溫下，從而支持通過疏水膜30的蒸發。當淨化水生產期間結束時，蒸發通道40被排空熱水，並且可以代替地暴露於熱惰性氣體。通過具有絕緣層16並且優選地還具有加熱元件14，加熱塊10可以在非工作時間段內保持其高溫。這種溫度保持僅需要非常低的功率。當要開始新的淨化水生產期間時，加熱塊10已經處於工作溫度，這有利於空氣通道膜蒸餾器1的快速啟動。

圖7是用於操作空氣通道膜蒸餾器的方法的實施例的步驟流程圖。所述方法可以分為淨化水生產期間S10和待機期間S20。如虛線箭頭S30所示，通常淨化水生產期間S10和待機期間S20會重複。在淨化水生產期間S10中，步驟S2：提供水至蒸發通道。在淨化水生產期間S10期間，步驟S4：冷卻冷凝通道至低於水溫的溫度。蒸發通道通過疏水膜與冷凝通道分開，疏水膜的孔隙的直徑小於1μm，優選地小於500nm，最優選地小於100nm。因此，水蒸氣從蒸發通道穿過疏水膜到達冷凝通道。在淨化水生產期間S10，步驟S6：排出冷凝通道中凝結的水。

在淨化水生產期間S10結束後，步驟S12：加熱惰性氣體。在淨化水生產期間S10結束後，步驟S14：將加熱的惰性氣體至少流動通過冷凝通 道。如此，可除去冷凝通道中任何殘留的水。在下一個淨化水生產期間S10之前，停止前述的加熱和流動。

在一實施例中，使加熱的惰性氣體流動的步驟S14包括使加熱的惰性氣體流過蒸發通道和冷凝通道。在一優選實施例中，加熱的惰性氣體的溫度足以引起蒸發通道中污染物的乾餾。

在一優選實施例中，冷卻冷凝通道的步驟S4包括使冷卻介質流過位於冷卻塊和聚合物膜之間的冷卻通道，其中所述聚合物膜的與冷卻通道相反的表面面向冷凝通道。在另一實施例中，在完成淨化水生產期間S10時，冷卻介質停止流動通過冷卻通道，並且在開始下一個淨化水生產期間S10之後開始流動通過冷卻通道。

在又一實施例中，所述方法另包括步驟S13：在完成淨化水生產期間S10後排空冷卻通道。

在一實施例中，所述方法進一步包括步驟S15：在淨化水生產期間S10之間保持與蒸發通道接觸的加熱塊的溫度。

一組蒸發通道、冷凝通道和疏水膜可以看作是設置在冷表面和熱表面之間的蒸餾單元。蒸餾單元的容量取決於例如疏水膜的面積。但是，由於疏水膜非常薄，因此大面積的疏水膜更容易彎曲和/或損壞。因此為了增加容量，可以通過使用多個蒸餾單元來增加總膜面積。

此外，蒸餾單元之間的高溫和低溫區域也可以在蒸餾單元之間共享，例如兩個相鄰的蒸餾單元可以使用相同的冷卻部。因此，在某些實施例中，以交替的操作方向配置蒸餾單元可能是有利的。這意味著通過疏水膜的水蒸氣以相反的方向移動通過相鄰的疏水膜。

換句話說，在一優選實施例中，空氣通道膜蒸餾器包括由各自的疏水膜分離的多個蒸發通道和多個冷凝通道。圖8示意性地示出了具有多個 蒸發通道和冷凝通道的空氣通道膜蒸餾器的一個實施例。在本實施例中，以交替的方式設置有多個加熱塊10和多個冷卻部20。換句話說，在每對冷卻部20之間設置一個加熱塊10，並且在每對加熱塊10之間設置一個冷卻部20。在每個相鄰的冷卻部20和加熱塊10之間設置疏水膜30。這樣的配置產生了多個蒸發通道40和冷凝通道50。因此，除了兩端部，每個冷卻部20的每一側上都有冷凝通道50，並且每個加熱塊10的每一側上都有蒸發通道40。這樣的配置可有效利用所提供的加熱和冷卻。

圖9示意性地示出了具有多個蒸發通道和冷凝通道的空氣通道膜蒸餾器的另一實施例，其中多個蒸發通道和多個冷凝通道由各自的疏水膜隔開。本實施例依賴於提供到蒸發通道40中的水被預熱並且溫度達到足夠高以引起通過疏水膜30的孔隙所要求的蒸發。因此在本實施例中僅在端部處具有加熱塊10，且熱表面12由相鄰蒸餾單元的疏水膜30構成。換句話說，蒸發通道40由分別面對兩個不同冷卻塊20的兩個疏水膜30所定義。然後，蒸發通道40的一側上的疏水膜30作為相對側上的疏水膜30的熱表面。可選地，可以設置外部加熱塊10A，用於在水進入蒸發通道40之前來加熱水。

空氣通道膜蒸餾器的機械結構可以多種不同的方式設計。當前一種優選的方法是通過使用薄的聚合物框和/或板來提供不同的通道、箔和膜。圖10A-10G示意性地示出了通過使用薄的聚合物框和/或板來提供不同的通道、箔和膜的實施例。

圖10A從側面示意性地示出了基於聚合物框和板的堆疊的空氣通道膜蒸餾器的實施例。不同的聚合物框和/或板71-76被堆疊並彼此密封。每個不同的聚合物框和/或板71-76具有其自己的功能，這將在下面進一步解釋。通過聚合物框和/或板71-76的堆疊提供熱水的供水管42、排水管46、冷卻介質供應管25、冷卻介質排出管28、淨化水排放管56、氣體管道系統64、 惰性氣體排放管道裝置68和排氣閥59的入口和出口。端部聚合物板70用於關閉不通過此端部離開的所有其他入口或出口。聚合物框和/或板71-76通過螺釘元件78穿過聚合物框和/或板71-76而彼此緊固。

在圖10B中，以垂直視圖示出了聚合物板71。入口和出口在此處顯示為聚合物板71中的孔。此外，圖10B還示出了用於安裝螺釘元件的孔77。在聚合物板71中設置有加熱元件14。聚合物板71的表面構成加熱塊10的熱表面12。

在圖10C中，以垂直視圖示出了聚合物框72。入口和出口在此處顯示為聚合物框72中的孔。聚合物框72中間的孔構成蒸發通道40。蒸發通道40與入口(供水管)42和出口(排水管)46之間也存在連接。因此，通過入口(供水管)42進入的熱水可以流入蒸發通道40並充滿它。當水位達到最高時，熱水可以通過出口(排水管)46流出。

在圖10D中，以垂直視圖示出了聚合物框73。入口和出口在此處顯示為聚合物框73中的孔。聚合物框73保持疏水膜30。疏水膜30優選地被焊接至聚合物框73。

在圖10E中，以垂直視圖示出了聚合物框74。入口和出口在此處顯示為聚合物框74中的孔。聚合物框74中間的孔構成冷凝通道50。冷凝通道50和淨化水排放管56之間存在連接。在本實施例中，所述管道還用作惰性氣體排放管裝置68。冷凝通道50和氣體管道系統64之間也存在連接。在本實施例中，所述管道還用作排氣閥59。

在圖10F中，以垂直視圖示出了聚合物板75。入口和出口在此處顯示為聚合物板75中的孔。此外，圖10F還示出了用於安裝螺釘元件的孔77。聚合物板75的表面構成限定冷卻通道的聚合物膜23。如上所述，面向冷凝通道的表面應盡可能光滑，而面向冷卻通道的表面可更粗糙。

在圖10G中，以垂直視圖示出了聚合物框76。入口和出口在此處顯示為聚合物框76中的孔。聚合物框76中間的孔構成冷卻通道26。冷卻通道26與冷卻介質供應管25和冷卻介質排出管28之間存在連接。

通過以適當的順序堆疊聚合物框和/或板71-76並且將聚合物框和/或板71-76彼此密封，可以形成蒸發通道40、冷凝通道50和冷卻通道26。通過在聚合物框和/或板71-76中使用在表面具有一定彈性的聚合物，可以將聚合物框和/或板71-76彼此密封而無需使用任何額外的密封。或者，可以在聚合物框和/或板71-76之間使用密封。

在測試設備中，聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，PVDF)被用作框/板狀聚合物而具有極佳效果。在框/板設法以基本上不變形的方式保持膜和聚合物膜的同時，框/板彼此形成緊密的密封。

在一優選實施例中，定距管穿過孔77以安裝螺釘元件。定距管的長度應精確地對應於聚合物框和/或板71-76的厚度之和。通過這樣的定距管緊固聚合物框和/或板71-76的堆疊將確保聚合物框和/或板71-76牢固地彼此抵靠，而沒有任何過大的力而導致變形和/或洩漏的風險。

換句話說，在一實施例中，蒸發通道、疏水膜、熱表面，冷卻部和冷凝通道以聚合物框和/或板的堆疊形式提供。

疏水膜的條件對於淨化水的純化操作的效率很重要。孔隙會被熱水中的污染物阻塞，從而降低淨化率。水中的顆粒或機械磨損也可能導致裂縫或較大的孔隙。這樣的損壞可能會使整個純化過程造成風險。

在一實施例中，惰性氣體裝置可用於實現對前述故障的指示。圖11示意性地示出了空氣通道膜蒸餾器的一部分實施例，其中蒸發側壓力傳感器41和冷凝側壓力傳感器51分別設置在蒸發通道40和冷凝通道50中。可替代地，蒸發側壓力傳感器41和/或冷凝側壓力傳感器51可以被設置成分別 具有與蒸發通道40和冷凝通道50中相同的壓力的空間中。換句話說，蒸發側壓力傳感器41和/或冷凝側壓力傳感器51可以設置在通氣空間中。

因此，疏水膜30上的壓力差可以被監測。當結束淨化水生產期間而使熱惰性氣體至少流過冷凝通道50時，具一定壓力的氣體被提供給冷凝通道50。一些氣體將通過疏水膜30進入蒸發通道40，從而增加蒸發通道40中的壓力。對於功能齊全的疏水膜30，很容易計算或測量這樣的回流氣流。如果停止向冷凝通道50供應氣體，則回流氣流還將降低冷凝通道50內的壓力。通過監測跨過疏水膜30的各個壓力或壓差可發現一定的時間演變。在圖12中，曲線200示意性地示出了功能齊全的疏水膜30上的壓力差隨時間的可能變化。

如果疏水膜30的孔隙被阻塞，則通過疏水膜30的氣流也將減少，因此，壓力差隨時間的變化將被改變。這種情況壓力差隨時間的變化可能會如圖12的曲線204所示。

如果在疏水膜30中存在裂縫或大的孔隙，則通過疏水膜30的氣流將增加。因此，壓力差隨時間的變化變將被改變。這種情況壓力差隨時間的變化可能會如圖12的曲線202所示。

因此，可以利用疏水膜30上的壓力差隨時間變化的行為來區分功能齊全的疏水膜30、具有較大程度堵塞孔的疏水膜30和損壞的疏水膜30。

也可以僅使用單一個壓力傳感器執行類似的評估。如果將單個壓力傳感器設置為與冷凝通道50接觸，則可以以相同的方式繪製隨時間的壓力下降，並且可以分析疏水膜30的功能障礙。如果將單個壓力傳感器設置為與蒸發通道40接觸，則隨著時間將顯示壓力增加。但這種隨時間的壓力變化依舊可以用於評估疏水膜30的狀態。

因此，在一實施例中，用於操作空氣通道膜蒸餾器的方法另包括一步驟：在提供加熱的惰性氣體期間測量蒸發通道中的壓力和/或冷凝通道中的壓力。

因此，在一實施例中，蒸發側壓力傳感器41和/或冷凝側壓力傳感器51連接至控制器，優選地連接至與用於熱惰性氣體控制的相同控制器。控制器用於隨時間追蹤與疏水膜接觸的空間中的壓力。

因此，在一實施例中，用於操作空氣通道膜蒸餾器的方法另包括一步驟：獲得與疏水膜接觸的空間中的壓力和/或在疏水膜上的壓力差，追蹤此壓力和/或壓力隨時間的變化，並基於疏水膜上的壓力和/或壓差隨時間的評估來分析疏水膜的狀態。

如上面所提到的，一些可能阻塞孔隙的污染物可以通過用惰性氣體充入蒸發通道而蒸發掉。因此，可以根據疏水膜的狀態進行此類惰性氣體的沖刷，特別是在壓力隨時間變化分析表明存在堵塞的孔隙的情況下。因此，在一實施例中，用於操作空氣通道膜蒸餾器的方法進一步包括一步驟：其根據疏水膜的狀態來控制加熱惰性氣體並使加熱的惰性氣體流過蒸發通道。

空氣通道膜蒸餾的一個普遍優點是可以從一步完成過程中從嚴重污染的給水中獲得非常高質量的淨化水。污染物水平的極限通常由污染物堵塞孔隙從而降低純化效率的可能性來設定。為了至少在一定程度上避免孔隙的堵塞，在蒸發通道內使熱水有一定程度的流動是有益的。然而，在許多情況下，離開蒸發通道的熱水通常仍然足夠乾淨，可以再次用作給水。因此，可以重新使用排水管中的水，使其再次重新進入蒸發通道。這樣做的一個優點是排放管中的水已經被加熱，並且在流過蒸發通道的過程中，任何溫度損失通常都很容易以較小的能量需求進行再生。

圖13示意性地示出了水在空氣通道膜蒸餾器中的再循環。空氣通道膜蒸餾器(ACMD)1具有供水管42、淨化水排放管56和排水管46。來自排水管46的水進入排放裝置32。在排放裝置32中，從排水管46排出的一部分水作為廢水39通過廢水出水口34被除去。其餘部分，通常是主要部分，被循環回到供水管42。為了補償水的消耗和所產生的淨化水，通過加水管36添加新水38。廢水39可包含相對較高的污染物，並且可以使用不同種類的有害物質處理技術來確保對廢水的安全處理。可理解的是這樣的有害物質處理過程不在本發明的範圍之內。

換句話說，在一實施例中，排水管46連接到供水管42以使從蒸發通道40排出的至少一部分水再循環。在另一實施例中，排水管46包括廢水出水口34，用於去除從蒸發通道40排出的水的一部分(即，廢水39)。供水管42包括加水管36，用於將新水38添加到空氣通道膜蒸餾器1中。

在一實施例中，用於操作空氣通道膜蒸餾器的方法還包括另一步驟：使從蒸發通道排出的至少一部分水再循環以再次供應到蒸發通道。在另一實施例中，用於操作空氣通道膜蒸餾器的方法還包括另一步驟：去除從蒸發通道排放的一部分水以將其丟棄，並將新的水添加到蒸發通道中。

本發明技術的想法是基於如下的假設，即當前的空氣通道膜蒸餾器應該能夠在半導體生產工廠中使用。其優點是能夠在半導體生產中的清洗位置處以適合於清洗需求的量和特定時間提供淨化水。

用於洗滌半導體產品的水確實包含不同種類的污染物和顆粒。然而，污染物的一般水平通常仍然相對較低。因此，完全有可能將在洗滌步驟中使用的水作為純化過程的進水再利用。洗滌產生的污染物確實會進入空氣通道膜蒸餾器，但會在排水管中排出的水中收集，並最終通過排放裝置去除。

圖14示意性地示出了半導體生產廠中水的再利用，其中在半導體生產廠100中使用了空氣通道膜蒸餾器1。通過空氣通道膜蒸餾器1的淨化水排放管56提供淨化水83，並且在生產階段102進入清洗程序。空氣通道膜蒸餾器1和生產階段102之間的淨化水輸送距離應愈短愈好，並且淨化水根據需要在指定的時間和指定的量下生產。用過的洗滌水82離開生產階段102，並經由洗滌水管81重新導回到空氣通道膜蒸餾器1。在本實施例中，重新導回到空氣通道膜蒸餾器1的水作為新水38經由加水管36進入排放裝置32，然後通過供水管42返回空氣通道膜蒸餾器1，重新進入淨化過程。這樣，大部分水都在半導體生產廠100內進行了循環。排泄的廢水是唯一必須從外部替換為淡水的部分，與當今的廢水量相比，其體積要小得多。

換句話說，在一實施例中，新水包括已經用於半導體生產中的清洗過程的水。

在一實施例中，在用於操作空氣通道膜蒸餾器的方法中，新水包括已經用於半導體生產中的清洗過程的水。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1:空氣通道膜蒸餾器

10:加熱塊

12:熱表面

20:冷卻部

22:表面

30:疏水膜

40:蒸發通道

42:供水管

44:進水口

45:氣體入口

46:排水管

48:出水口

49:氣體出口

50:冷凝通道

55:氣體入口

56:淨化水排放管

57:氣體出口

58:出水口

59:排氣閥

60:氣體供應裝置

62:加熱器

64:氣體管道系統

68:惰性氣體排放管道裝置

70:惰性氣體

80:控制器

Claims (33)

1. 一種空氣通道膜蒸餾器，包括：一熱表面；一冷卻部；一疏水膜，具有直徑小於1μm，優選的小於500nm，最優選的小於100nm的多個孔隙，其中該熱表面被機械地配置到由密封的一蒸發通道隔開的該疏水膜上，其中該冷卻部的一表面被機械地配置到由密封的一冷凝通道隔開的該疏水膜上；一供水管，與該蒸發通道的一進水口相連；一排水管，與該蒸發通道的一出水口連接；一淨化水排放管，與該冷凝通道的一出水口連接；一冷卻設備，用於將該冷卻部的該表面冷卻至低於該蒸發通道中水溫的溫度；一氣體供應裝置，用於提供一惰性氣體，其中該氣體供應裝置包括一加熱器，用於加熱該惰性氣體；一氣體管道系統，連接到該氣體供應裝置並配置到該冷凝通道的一氣體入口，用於使該惰性氣體至少沖洗該冷凝通道；以及一控制器，用於控制該氣體供應裝置在完成一淨化水生產期間後通過該氣體管道系統供應該惰性氣體，並控制該氣體供應裝置在開始該淨化水生產期間之前停止供應該惰性氣體。
2. 如請求項1所述的空氣通道膜蒸餾器，還包括一加熱塊，其中該加熱塊具有該熱表面。
3. 如請求項1所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該氣體管道系統還連接至該蒸發通道的一氣體入口。
4. 如請求項1所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該控制器還用於控制由該氣體供應裝置供應的該惰性氣體的氣體流速和氣體溫度中的至少一個。
5. 如請求項1所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該蒸發通道的該進水口設置在所述蒸發通道的下端，該蒸發通道的該出水口設置在該蒸發通道的上端。
6. 如請求項1所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該冷卻部包括：一聚合物膜，面對該冷凝通道；一冷卻塊，機械地配置到由密封的一冷卻通道隔開的該聚合物膜上；一冷卻介質供應管，連接到該冷卻通道的一入口；以及一冷卻介質排放管，連接到該冷卻通道的一出口。
7. 如請求項6所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該聚合物膜面對該冷凝通道的表面的表面粗糙度小於30μm。
8. 如請求項6所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該聚合物膜的厚度小於60μm，優選的小於40μm，最優選的小於30μm。
9. 如請求項6所述的空氣通道膜蒸餾器，其中一冷卻介質供應器連接至該冷卻介質供應管，該控制器還用於控制該冷卻介質供應器在完成該淨化水生產期間之後停止冷卻介質的任何供應，並且在開始下一個該淨化水生產期間之後開始冷卻介質的供應。
10. 如請求項2所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該加熱塊是熱絕緣的。
11. 如請求項2所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該加熱塊包括多個加熱元件。
12. 如請求項1所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該冷凝通道包括一排氣閥，該排氣閥僅在該淨化水生產期間被打開。
13. 如請求項1所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該空氣通道膜蒸餾器具有多個該蒸發通道和多個該冷凝通道，並由各自的該疏水膜隔開。
14. 如請求項1所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該蒸發通道、該疏水膜、該熱表面、該冷卻部和該冷凝通道是以多個聚合物框和/或板的堆疊形式提供。
15. 如請求項1所述的空氣通道膜蒸餾器，還包括一蒸發側壓力傳感器和一冷凝側壓力傳感器中的至少一個。
16. 如請求項15所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該蒸發側壓力傳感器和該冷凝側壓力傳感器中的至少一個連接至該控制器，該控制器用於隨時間追踪與該疏水膜接觸的體積中的壓力。
17. 如請求項1所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該排水管連接至該供水管，以使從該蒸發通道排出的水的至少一部分再循環利用。
18. 如請求項17所述的空氣通道膜蒸餾器，其中該排水管包括一排放裝置，用於去除從該蒸發通道排放的一部分水作為廢水，該供水管包括一加水管，用於將新水添加到該空氣通道膜蒸餾器中。
19. 如請求項18所述的空氣通道膜蒸餾器，還包括一洗滌水管，可連接至一半導體生產廠的一生產階段，其中該洗滌水管連接至該排放裝置，從而使得該新水包括已經用於半導體生產中的洗滌過程的水。
20. 一種將根據請求項1至8中任一項所述的空氣通道膜蒸餾器在半導體生產設備中的使用。
21. 一種用於操作空氣通道膜蒸餾器的方法，包括以下步驟：在一淨化水生產期間，提供一水至一蒸發通道；在該淨化水生產期間，冷卻一冷凝通道至低於該水的溫度，其中該蒸發通道通過一疏水膜與該冷凝通道分隔，該疏水膜的孔徑小於1μm，優選的小於500nm，最優選的小於100nm，從而一水蒸氣從該蒸發通道通過該疏水膜到達該冷凝通道；在該淨化水生產期間，排放在該冷凝通道中凝結的水；加熱一惰性氣體；以及在完成該淨化水生產期間之後，使該加熱的惰性氣體至少流動通過該冷凝通道，從而除去任何殘留的水，其中在下一個該淨化水生產週期之前，停止該惰性氣體的加熱和流動。
22. 如請求項21所述的方法，其中使該加熱的惰性氣體流動的步驟包括使該加熱的惰性氣體流動通過該蒸發通道和該冷凝通道。
23. 如請求項21所述的方法，其中該加熱的惰性氣體具有足以引起該蒸發通道中的污染物的乾餾的溫度。
24. 如請求項21所述的方法，其中冷卻該冷凝通道至低於該水的溫度中的步驟包括使一冷卻介質流動通過位於一冷卻塊和一聚合物膜之間的冷卻通道，其中該聚合物膜的與該冷卻通道相對的表面面對該冷凝通道。
25. 如請求項24所述的方法，其中使該冷卻介質流動通過該冷卻通道在完成該淨化水生產期間之後停止，並在開始下一個該淨化水生產期間之後開始。
26. 如請求項25所述的方法，還包括以下步驟：在完成該淨化水生產期間之後，排空該冷卻通道。
27. 如請求項21所述的方法，還包括以下步驟：在該淨化水生產期間之間，保持與該蒸發通道接觸的一加熱塊的溫度。
28. 如請求項21所述的方法，還包括以下步驟：在提供該加熱的惰性氣體期間，測量該蒸發通道中的壓力和該冷凝通道中的壓力中的至少一個。
29. 如請求項28所述的方法，還包括以下步驟：獲得與該疏水膜接觸的空間中的壓力和/或在該疏水膜上的壓力差的至少一個，追蹤與該疏水膜接觸的空間中的壓力和/或在該疏水膜上的壓力差的至少一個隨時間的變化，並基於該疏水膜接觸的空間中的壓力和/或在該疏水膜上的壓力差的至少一個隨時間的變化的評估來分析該疏水膜的狀態。
30. 如請求項29所述的方法，還包括以下步驟：根據該疏水膜的狀態，控制該惰性氣體的加熱和流動。
31. 如請求項21至30中的任一項所述的方法，還包括以下步驟：使從該蒸發通道排出的至少一部分水再循環以再次供應到該蒸發通道。
32. 如請求項31所述的方法，還包括以下步驟：去除從該蒸發通道排出的一部分水以將其丟棄，並且將一新水添加到該蒸發通道中。
33. 如請求項32所述的方法，其中該新水包括已經用於半導體生產中的洗滌過程的水。

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