(57)【要約】熱交換器であって、熱可塑性樹脂の中空管を備え、該中空管は、熱可塑性樹脂と融着接合させて一体にされた末端端部ブロック３２、３４を形成する。中空管を、組み、または編むことによりコード７０、７２として形成し、次いでコード７０、７２を熱的にアニーリングして、組みまたは編みの山および曲りを固定することができる。コード７０、７２により、熱交換器内の中空管のまわりにおける流体の分配性向上がもたらされる。熱交換器は化学的に不活性であり、苛酷な化学的環境におけるクロスフロー濾過、ならびに伝熱および物質移動の用途のため有用である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
交換装置であって、
ａ）複数の熱可塑性樹脂中空管を備え、各中空管が、２つの端部および該２つの端部の間を通る中空部を有し、
ｂ）前記中空管の少なくとも１つの前記端部が、少なくとも前記端部の周辺で熱可塑性樹脂を介して融着接合されて、一体にされた末端端部ブロックを形成し、前記一体にされた末端端部ブロックにおいて、前記中空管の端部が、液密に一緒に前記熱可塑性樹脂に融着された形で接合され、
ｃ）前記一体にされた末端端部ブロックが、前記管の接合されていない部分の中空部と連通する貫通孔を有し、
ｄ）前記一体にされた末端端部ブロックが、第１の流体を前記中空管に供給する第１の流体入口接続部と、前記第１の流体を前記中空管から取り出す第１の流体出口接続部とを有する、交換装置。
【請求項２】
ａ）前記中空管を内蔵し、少なくとも１つの前記一体にされた末端端部ブロックに融着接合されている筺体をさらに備え、
ｂ）前記筺体が、前記交換装置を通って少なくとも１つの流体を輸送するための、少なくとも１つの接続ポートを有する、請求項１に記載の交換装置。
【請求項３】
前記熱可塑性樹脂中空管が、非周回である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記熱可塑性樹脂中空管が、コードに組まれている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記熱可塑性樹脂中空管が、コードに組まれ、前記コードが、熱的にアニーリングされて前記組みを固定している、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記中空管が、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロメチルビニルエーテル、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロプロピルビニルエーテル、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、および超高分子量ポリエチレンからなるグループから選択される、熱可塑性樹脂または該熱可塑性樹脂の混合物から構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂中空管が、多孔性である、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記熱可塑性樹脂管が、熱伝導性材料を含浸されている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記コードが、少なくとも１つの組みを備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの筺体流体接続部が、流体流を分配するためのインサートを有する、請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
前記熱可塑性樹脂中空管が、非周回である、請求項２に記載の装置。
【請求項１２】
前記熱可塑性樹脂中空管を、コードに組まれている、請求項２に記載の装置。
【請求項１３】
前記熱可塑性樹脂中空管が、コードに組まれ、前記コードが、熱的にアニーリングされて前記組みを固定している、請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記中空管が、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロメチルビニルエーテル、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロプロピルビニルエーテル、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、および超高分子量ポリエチレンからなるグループから選択される、熱可塑性樹脂または該熱可塑性樹脂の混合物から構成される、請求項２に記載の装置。
【請求項１５】
前記管が、多孔性である、請求項２に記載の装置。
【請求項１６】
前記熱可塑性樹脂管が、熱伝導性材料を含浸されている、請求項２に記載の装置。
【請求項１７】
前記コードが、少なくとも１つの組みを備える、請求項２に記載の装置。
【請求項１８】
交換装置であって、
ａ）複数の熱可塑性樹脂中空管を備え、各中空管が、２つの端部および該２つの端部の間を通る中空部を有し、少なくとも１つの管が非周回であり、
ｂ）前記中空管の少なくとも１つの前記端部が、少なくとも前記端部の周辺で熱可塑性樹脂を介して融着接合され、前記中空管の端部が、液密に前記熱可塑性樹脂に接合され、
ｃ）一体にされた末端端部ブロックが、前記管の接合されていない部分の中空部と連通する貫通孔を有し、
ｄ）前記一体にされた末端端部ブロックが、第１の流体を前記中空管に供給する第１の流体入口接続部と、前記第１の流体を前記中空管から取り出す第１の流体出口接続部とを有する、交換装置。
【請求項１９】
前記熱可塑性樹脂中空管が、多孔性である、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
交換装置を作製する方法であって、
ａ）第１の端部および第２の端部を有する複数の熱可塑性樹脂中空管で構成される束を形成するステップと、
ｂ）１つまたは複数の前記熱可塑性樹脂中空管の束の第１の端部を、熱可塑性樹脂に融着して、第１の一体にされた末端端部ブロックを形成するステップと、
ｃ）１つまたは複数の前記熱可塑性樹脂中空管の束の第２の端部を、熱可塑性樹脂に融着して、第２の一体にされた末端端部ブロックを形成するステップと、
ｄ）前記熱可塑性樹脂に融着された中空管を通って流体流を供給するように、第１および第２の一体にされた末端端部ブロックの管端部を開口するステップとを含む、方法。
【請求項２１】
前記中空管が、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロメチルビニルエーテル、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロプロピルビニルエーテル、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、および超高分子量ポリエチレンからなるグループから選択される、熱可塑性樹脂または該熱可塑性樹脂の混合物から構成される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記熱可塑性樹脂に融着される前記中空管の開放端が、前記中空管の接合されない部分と実質的に同一の断面積を有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
組まれ少なくとも１つのコードを形成している複数の熱可塑性樹脂中空管から、束を作製するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記コードにおける中空管の組みを固定するように、前記コードを前記熱可塑性樹脂中空管の融点未満の温度でアニーリングするステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記アニーリングされたコードが、個々の熱可塑性樹脂中空管に分離され、かつ次いで非周回中空管の束として前記熱可塑性樹脂と接合される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記一体にされた末端端部ブロックに少なくとも１つの流体接続ポートを接合するステップをさらに、含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１および第２の一体にされた末端端部ブロックに熱可塑性樹脂筺体を接合するステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
第１の流体から第２の流体への伝熱のために請求項１に記載の交換装置を使用する方法であって、前記方法が、
ａ）前記中空管の第１の側に第１の流体を流すステップと、
ｂ）前記中空管の第２の側に第２の流体を流すステップと、
ｃ）前記熱可塑性樹脂中空管の壁を通して前記第１の流体と第２の流体との間でエネルギーを伝達するステップとを含む、方法。
【請求項２９】
前記流体が、フォトレジスト、反射防止コーティング、レジスト剥離剤、またはフォトレジスト現像液である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記流体が、スピン塗布誘電体である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記流体が、銅イオンを含む流体である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
前記流体が、酸、塩基、酸化剤、およびそれらの混合物からなるグループから選択される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
前記液体が、有機質液体である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
前記第２の流体が、不活性気体、水、ポリエチレングリコール組成物、および水蒸気からなるグループから選択される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１の流体が、気体である、請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
流体のクロスフロー濾過のために請求項７または請求項１８のいずれかに記載の交換装置を使用する方法であって、前記方法が、
ａ）前記中空多孔性管の第１の側に、不溶性懸濁材料を含有する第１の流体を流すステップと、
ｂ）前記中空多孔性管を通して前記第１の流体の部分を濾過するステップとを含み、前記中空多孔性管が前記不溶性懸濁材料の一部を保有し、かつ前記中空多孔性管を通して前記流体の一部を通過させる、方法。
【請求項３７】
流体間の物質移動のために請求項７または請求項１８のいずれかに記載の交換装置を使用する方法であって、前記方法が、
ａ）前記中空多孔性管の第１の側に第１の流体を流すステップと、
ｂ）前記多孔性中空管の第２の側に第２の流体を流すステップと、
ｃ）前記第２の流体の一部を第１の流体中に溶解するステップとを含む、方法。
【請求項３８】
前記第１の流体が水溶液であり、また第２の流体が気体である、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
流体流回路にライン内で接続されるように構成された交換装置であって、
ａ）流体管継手を備えている筺体と、
ｂ）前記筺体内に配置され、熱可塑性樹脂から製作した複数の非周回中空管を内蔵する交換器コアとを備え、
ｃ）前記管が、長さ方向に配列され、かつ２つの端部を有し、該２つの端部が、熱可塑性樹脂を介して前記２つの端部の周辺で融着接合されて一体にされた末端端部ブロックを形成し、前記一体にされた末端端部ブロックにおいて、前記非周回管の端部が、さらに前記末端端部ブロックを貫通して流体連通が可能であるように、液密に融着された形で接合され、
ｄ）前記筺体が、第２の流体と接触される第１の流体を、前記交換器コアの第１の端部に供給する第１の流体入口と、前記非周回管から前記接触された第１の流体を取り出す第１の流体出口接続部とを有し、前記筺体が、前記第１の流体と接触される第２の流体を、前記筺体の内壁と前記非周回管との間に形成される容積に供給する第１の流体入口接続部と、前記接触された第２の流体を取り出す第２の出口接続部とを有する、交換装置。
【請求項４０】
請求項１、１８、または３７のいずれか一項に記載の交換装置を備えるウエハ加工のための装置。
【請求項４１】
増大された境界層分離を有する熱可塑性樹脂中空管を作り出す方法であって、前記方法が、
ａ）交換装置に熱可塑性樹脂中空管を固定するステップと、
ｂ）前記中空管が非周回になるように、前記中空管の構造を歪ませるステップとを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「Ｆｌｕｉｄ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｄｅｖｉｃｅ（流体交換装置）」の名称で、２００１年１０月１日出願の米国特許仮出願第６０／３２６２３４号の恩恵を主張するものである。本出願は、出願人参照番号２００１００２９３（以前はＭＹＫＰ−６２１）のもとに２００１年１０月１日出願の米国特許出願第６０／３２６３５７号として、本出願と同時に出願している同時係属出願に関連している。
【０００２】
本発明は、伝熱、粒子濾過、および物質移動の用途に有用な、中空管もしくは中空繊維膜交換装置に関する。本装置は、前もって組まれ、かつ熱的にアニーリングされて組みを固定した、融着接合させた中空管を内蔵する筺体を備えている。本装置は、中空管の高い充填密度を有し、組まれた中空管が、流体流の分配性向上をもたらしている。本装置は、バッフルの必要がなく、小さい体積で大きい接触面積を提供する。本装置は、化学的に不活性な熱可塑性樹脂材料製であり、有機質ならびに腐食性かつ酸化性液体で高温において作動する能力を有する。
【背景技術】
【０００３】
中空繊維および薄壁中空管は、物質移動、熱交換、およびクロスフロー粒子濾過装置に通常使用される。これらの用途において中空管もしくは繊維は、高い表面積対体積比を提供し、それが、同様な組成の平板材料で作られた装置よりも、小さい体積でより多い熱および物質移動を可能にする。
【０００４】
中空繊維もしくは中空管は、外径および外側表面と、内径および内側表面と、管もしくは繊維の第１の表面もしくは側面と第２の表面もしくは側面との間の、多孔質もしくは非多孔質材料とを有する。内径は、繊維もしくは管の中空部分を画定し、中空部分は一方の流体を運ぶのに使用される。管側接触部と呼ばれるものについては、第１の流体相が中空部分を通って流れ、管腔（ｌｕｍｅｎ）と呼ばれることがあり、また、管もしくは繊維を取り囲む第２の流体相と分離して保持される。シェル側接触部では、第１の流体相が、管もしくは繊維の外径および外側表面を取り囲み、第２の流体相が管腔を通って流れる。交換装置において、充填密度は、装置にポッティングすることができる有用な中空繊維または中空管の数に関連する。
【０００５】
液体の加熱を要する半導体製造における用途の例には、硫酸および過酸化水素フォトレジスト剥離溶液、窒化シリコンおよびアルミニウム金属エッチング用の熱リン酸、水酸化アンモニウムおよび過酸化水素ＳＣ１洗浄溶液、塩酸および過酸化水素ＳＣ２洗浄溶液、熱脱イオン水すすぎ液、および加熱有機アミン系フォトレジスト剥離液が含まれる。
【０００６】
浴において使用した後、加熱された液体、特にフォトレジスト剥離溶液、リン酸、ＳＣ１およびＳＣ２洗浄溶液は、使用済み薬品を廃棄する前に、冷却することが必要になる。電気化学的めっき浴および装置は、周囲温度未満に維持されることがある。
【０００７】
ウエハ加工トラック装置では、ウエハに分与する前に、スピン塗布誘電体（ｓｐｉｎ  ｏｎ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ）、フォトレジスト、反射防止コーティング、および現像液などの液体における、正確かつ再現可能な温度の条件調節を行うために、これらの液体を加熱または冷却することが必要である。
【０００８】
熱交換器は、一方の流体である、プロセス流体からの熱を、第２の作動流体に伝達する装置である。ポリマー系熱交換器は、ポリマーが化学的不活性および耐腐食性であるため、これらの用途向けの薬品を加熱し、また冷却するのに使用される。しかし、装置に使用するポリマーの熱伝導率が低いため、所定の温度変化を行うのに大きい伝熱表面積を要するので、ポリマー熱交換器は通常大型である。開放容器熱交換器の用途に使用する場合、管の間隔が不均一になるのを防止するため管の編みを行っている。このような装置は、貴重な空間をとり、薬品または交換流体の大きい滞留体積を要し、また作製するのに費用がかかる。このような装置はまた、破損しやすく、かつイオンおよび微粒子汚染源ともなるＯリングによるシールを必要とする。
【０００９】
半導体加工に使用する液体を加熱するのに、石英ヒータも使用される。石英は破損しやすく、また露出されている抵抗加熱された表面が、特に有機質液体、および可燃性ガスを発生する液体について火災および爆発の危険をもたらす。
【００１０】
半導体製造において、中空繊維管を使用する気液接触器または交換器を使用して、液体から気体を除去し、または液体に気体を添加する。市販の気液接触器は、バッフルを利用して、流体間の物質移動を改善している。膜システムを接触させる典型的な用途は、溶解した気体を液体から除去すること、すなわち「脱気」、または気体状物質を液体に添加することである。例えば、ウエットベンチは、洗浄および酸化膜成長のために、半導体ウエハに接触する高純度の水にオゾンガスを添加する半導体加工装置である。
【００１１】
半導体製造において、クロスフロー濾過を使用して、化学機械的研摩スラリに使用した研摩剤粒子などの懸濁した固体を除去する。化学機械的スラリ流は、固体スラリ材料のほかに、塩酸または水酸化アンモニウムなどの酸および塩基と組み合わされた、過酸化水素などの酸化剤を含有する。化学機械的研摩工具は、半導体製造に使用されるウエハ加工装置の一例である。
【００１２】
中空管または多孔性中空繊維で作製した接触器を使用して、クロスフロー濾過、物質移動、または伝熱を行うため、バッフル処理を通常用い、管状要素を通る流れを促進する。バッフル処理のための種々の構成が、文献に詳細に説明されており、中空管に対する伝熱および物質移動を改善している。米国特許第５３５２３６１号は、中空繊維の気液接触器のバッフル処理方法を教示している。このようなバッフルは、積層板バッフルをポッティングし、回転させる方法が容易に行われる、ポリエチレンなどの中空管に有用である。この技術を使用するペルフルオロネーテッド管のバッフル処理は実用的ではない。米国特許第４７４９０３１号は、個々の中空管がねじ切りされるペルフルオロネーテッドバッフルを用いるバッフル処理を教示している。この技術を使用して交換接触器を製作するのは、手間がかかり、かつ高価である。米国特許第４３６００５９号は、アルミニウムなどの鋳造材料から調製したらせん型熱交換器を記述している。このような方法は、熱可塑性樹脂の使用を企図していないし、また、熱伝導性の低い熱可塑性材料に要求される、実質的により大きい表面積への必要性にも取り組んでいない。
【００１３】
米国特許第３３１５７４０号は、熱交換器に使用するため融着により管を一緒に接合させる方法を開示している。熱可塑性樹脂材料の管を、管の末端部分が接触しながら平行関係にある形で集合させる。集合させた管の末端部分を、熱可塑性樹脂の内部表面を有し、かつ管に対して剛性であるスリーブ内に入れる。熱可塑性樹脂材料の少なくとも軟化点に等しい温度まで加熱した流体を、管の末端部分の内部に導入する。次いで、管壁の両側に差圧をかけ、そのため管内の圧力が管の外部表面の圧力よりも大きくなり、それにより管が膨張し、隣接する管の表面に融着するようにする。このような方法により、管の中空部への不規則なパターンを有する入口ができ、管への不規則な流れの分配が行われる。このような方法は、また、筺体スリーブとのシールを形成する十分な熱可塑性樹脂を提供するためには、比較的壁の厚い管体を必要とする。このようなポッティング方法を使用して、端部構造または一体にされた末端端部ブロックを形成することが企図されておらず、また管を編んで、かつポッティング前に熱硬化させて、流れの分配性を向上させることも企図されていない。
【００１４】
カナダ国特許第１２５２０８２号は、らせん状に巻いたポリマー熱交換器を作製する方法を教示している。このような装置は、管を適切な場所に保持するのに機械的な固定具を必要とし、同様に大きな空間体積を必要とする。
【００１５】
米国特許第４９８００６０号および米国特許第５０６６３７９号は、濾過用の多孔性中空繊維管の融着接合されたポッティングを記述している。この発明は、相交換および熱交換に使用される一体にされた末端端部ブロックを調製するための、非多孔性熱可塑性樹脂管の融着接合を行うのに必要な条件を開示していない。この発明は、中空管を撚り、または編むことを企図しておらず、またポッティング前に繊維をアニーリングして、流れの分配性を向上させるための、ポッティングした管に構造をもたらすことも企図していない。
【００１６】
Ａｌａｎ  Ｇａｂｅｌｍａｎ  ａｎｄ  Ｓｕｎ−Ｔａｋ  Ｈｗａｎｇは、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、ｖｏｌｕｍｅ  １５９，ｐｐ  ６１〜１０６，１９９９において、中空繊維の接触器において、より良好な物質移動が得られるために、均一な繊維間隔が重要であることを記述している。著者らは、手製のモジュールがより均一な繊維間隔を有するが、このようなモジュールの原価によって、彼らの製造原価が上がるのは妥当ではないことを述べている。このような議論は、中空管熱交換器およびクロスフロー装置にも同様に当てはめることができる。
【００１７】
米国特許第５２２４５２２号は、血液酸素供給器および熱交換器などの交換装置に使用するための中空繊維布テープを作る方法および装置を記述している。このような装置方法は、管マットにおいて好ましい関係で繊維を固定するのに、高価な、かつ複雑な製織装置を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
現在、大きな熱負荷、シェル側液体流、または効率的なシェル側クロスフロー濾過のために、熱可塑性樹脂製の熱交換器を使用することは、必要とされる装置が極めて高価であり、かつ大型になるので、実用的でない。半導体製造に使用するには、薬品の腐食性のためだけでなく、プロセス液体から金属および微粒子不純物をなくすためにも、金属製熱交換器は受け入れることができない。必要とされるものは、大表面積、均一な繊維の間隔、および最小限の体積を有する熱交換、物質移動、またはクロスフロー濾過のための熱可塑性樹脂製装置である。本装置は、バッフルの必要性をなくすべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、物質移動、熱交換、またはクロスフロー粒子濾過において有用な大表面積を有する装置を提供する。装置は、熱可塑性樹脂材料で構成され、かつ熱可塑性樹脂に融着接合されて、一体にされた末端ブロックを形成している中空熱可塑性樹脂繊維もしくは中空管を内蔵する。場合によって、一体にされた末端ブロックを含む装置は、中空繊維もしくは中空管を隔てて接触されるプロセス流体および作動流体のための流体入口および流体出口接続部を有する、熱可塑性樹脂筺体に融着接合される。装置のための製造方法を、提供しかつ記述している。装置の使用方法をも、提供しかつ記述している。
【００２０】
一実施形態において、装置内の中空管は、熱可塑性樹脂に融着接合されて一体にされた末端ブロックを形成する前に、編み、組み、または撚り合わされて、管もしくは繊維のコードを作り出している。このようなコードは、バッフルを使用する必要がなく、装置を通る流体の分配性の向上をもたらす。本発明により、中空管またはコードの高い充填密度が達成される。
【００２１】
他の実施形態において、融着接合工程の前に、中空繊維もしくは中空管を含むコードは、オーブン内でアニーリングされて、中空繊維もしくは中空管の撚り、組み、または編みの形状をその位置に固定する。別法として、中空管またはコードは、棒、他の中空管、または型板の周囲に巻き、かつ中空管またはコードの形状を、その型板を熱的にアニーリングすることにより固定することができる。編まれ、または撚られたコードは、ラックに巻かれ、かつ熱的にアニーリングされて、コードの編み、形状、および長さを固定することができる。編まれ、または撚られたコードは、連続的なコードの束としてラックから外され、連続的なコードの束は、次いで熱可塑性樹脂に融着接合されて、一体にされた末端ブロックを形成する。代替的実施形態において、アニーリングされたコードは、巻きもどして個々の非周回（ｎｏｎ−ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ）中空管もしくは繊維をもたらすことができる。これらの個々の中空管は、束として良好に熱可塑性樹脂に融着接合される。場合によって、一体にされた末端ブロックとなっている、アニーリングされたコードまたは個々の非周回中空管もしくは繊維は、本装置により交換しようとするプロセス流体および作動流体用の流体入口および出口接続部を有する熱可塑性樹脂筺体に融着接合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明は、伝熱および物質移動操作、ならびに他の相分離の用途のための装置に関する。本発明は、また、編まれ、または撚られた熱可塑性樹脂の中空管もしくは中空繊維を備えた交換装置に融着接合された、一体にされた末端端部ブロックを作製する方法をも記述している。本発明の実施において、コードとは、本発明の方法によって、撚り合わされ、組み、もしくは編まれて、熱可塑性樹脂のウェルにポッティングされまたは融着されることができるユニットを形成している、１つまたは複数の繊維およびまたは管をいう。融着接合は、熱可塑性ポリマーにより行われる。本発明は、非多孔性ポリ（テトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロメチルビニルエーテル）中空管を参照して記述されるが、本明細書において以後一般に中空管と呼ぶ、種々の熱可塑性樹脂管、およびまたは多孔性繊維膜を使用して、本発明を構成することができる点を理解されたい。さらに、本発明は、ポリ（テトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロメチルビニルエーテル）中空管の撚られた対を参照して記述されるが、撚られ、織られ、編まれ、もしくは組まれて、本明細書において以後コードと呼ぶものを形成している、種々の多数の中空管もしくは中空繊維を使用して、本発明を構成することができる点を理解されたい。最後に、本発明は、熱交換用装置に関して記述されているが、多孔性中空管または中空繊維を利用する同様の装置を、物質移動およびクロスフロー濾過の用途に使用するため作製することができる。
【００２３】
本発明の目的のため、単一の巻かれていないアニールされた管を、非周回管とみなしている。非周回管は、管の一方の端部から他方の端部へ進み連続して長手軸を周回していない外部容積を有する管である。例としては、らせんコイル、単一の巻かれていないアニールされた繊維などの永続して撚られた中空円形管状体、あるいは、三角形管もしくは繊維、長方形管もしくは繊維、または正方形管もしくは繊維などの条件で押出しされている管が含まれるが、それらに限定されない。
【００２４】
中空管もしくは繊維の組み、編み、撚り、または非周回幾何形状は、中空管を越えての流体の分配性、また中空管内での流体の分配性の向上を提供する。本装置は、バッフルを必要とすることなく、小さい体積で大きい流体接触面積を提供する。化学的不活性材料の構造を有する、本装置のユニットとしての、または一体化された末端ブロック構造によって、Ｏリングの必要性がなくなり、また、高温において、かつ様々な流体で本装置を作動させることが可能になっている。
【００２５】
手動により、または市販の巻取りおよび編み装置を使用することにより、２本以上の中空管を組み、撚り、または編んでコードにすることができる。本発明の実施において、複数の中空管を一緒に織って、中空管のマットを形成することができる。本開示および添付の請求項のため、用語マットおよびコードは、区別せずに使用している。コードにおける約３０ｃｍ（１フィート）当りの管の撚り数は、図１Ａに例示するように距離λ１により定義している。図１Ａでは２本の管を撚り合わせて示すが、しかし任意の本数の管を撚り合わせて、コードを形成することができる。図１Ａにおいて、パラメータλ１は、中空管１２と撚り合わせた中空管１０の山から山、または曲りから曲りの距離を表している。パラメータλのより小さい値は、例えば図１Ｂにおけるλ２は、中空管１４と１６との間のより多い撚りまたは曲りの数を示している。３つ以上の中空管を一緒に編んでコードを形成することができる。編まれた中空管について、図１Ｃの個々の管１８、２０、および２２に示すように、コードの緊密さの目安は、パラメータλ３により表される。図１Ｄに示す個々の中空管２４、２６、および２８は、より密に編まれ、したがってそれに対応して、λ４はλ３よりも小さい。λの値は、約３０ｃｍ（１フィート）当り１から約３０ｃｍ（１フィート）当り５０、好ましい範囲は約３０ｃｍ（１フ−ト）当り山または曲り５〜２５とすることができる。撚り合わせ、または編まれてコードを形成する中空管の数は、２本から１００本とすることができるが、中空管の数は、２本から１０本がより好ましい。
【００２６】
本発明は、図２Ａを参照して、より詳細に記述される。図２Ａに概略的に例示するように、個々の熱可塑性樹脂の非周回管３６、３８および４０の各端部の一部分は、熱可塑性樹脂により液密の方法で融着接合されて、２つの単体末端部または一体にされた末端端部ブロック構造３２および３４を形成する。任意の数の熱可塑性樹脂中空管を、熱可塑性樹脂に融着させることができる。図２Ｂは、エンドキャップ４４および４６で一体にされた末端端部ブロック３４および３２に接合された、流体連絡ポート４０および４２をさらに備える交換装置の断面を例示している。エンドキャップおよび流体コネクタにより、図示されない供給源からの第１の流体が、中空管３６、３８、および４０を通って流れることが可能になる。本発明の典型的な中空管または中空繊維３８の２つの側面は、表面３７および３９によりさらに特徴付けられる。図２Ｃは、一体にされた末端端部ブロック３４および３２に接合された筺体５２をさらに備え、かつ１つまたは複数の流体コネクタポート４８および５０を有する交換装置の断面を例示している。
【００２７】
図３では、撚られた中空管のコードをさらに備えている交換装置の一実施形態を例示している。本図におけるコードは、中空管５４および５６、５８および６０、ならびに６２および６４からなる。各コードの端部の部分は、液密の方法で熱可塑性樹脂に融着接合されて、一体にされた末端端部ブロック３２および３４を形成している。装置は、筺体５２と、一体にされた末端端部ブロックに接合されたエンドキャップ４４および４６とを場合によって有することができる。図３では、少なくとも１つの流体流分配器６６を、１つまたは複数の筺体流体連絡ポート４８および５０中に場合によって押しはめ、ねじ込み、または接合させることができる。
【００２８】
図４では、編まれた中空管のコードをさらに備えている交換装置の一実施形態を例示している。本図におけるコードは、一緒に編まれて７０および７２により例示されるコードを形成する、３本以上の中空管からなる。各コードの端部は、一体にされた末端端部ブロック３２および３４のために、液密の方法で熱可塑性樹脂に融着接合される。装置は、筺体５２と、一体にされた末端端部ブロックに接合されたエンドキャップ４４および４６とを場合によって有することができる。図４では、少なくとも１つの流体流分配器６６を、１つまたは複数の筺体流体連絡ポート４８および５０中に場合によって押しはめ、ねじ込み、または接合させることができる。図４に示す交換装置の端面図を、図５に概略的に例示している。
【００２９】
図３を参照して、熱交換器としての本発明の一実施形態の作動を記述する。第１の流体が、流体連絡ポート４２を通って熱交換器に入り、一体にされた末端端部ブロック３２の開口部６１で中空管に入る。流体が、中空管の内部または管腔を通って流れ、一体にされた末端端部ブロック３４を通って出口開口部６３から管を出る。第１の流体は、流体連絡ポート４０を通って交換装置を出る。第２の流体が、筺体流体連絡ポート４８、および場合によって流れ分配器６６を通って交換装置に入る。第１の流体は、中空管の２つの表面および壁によって、第２の流体と分離されている。第２の流体が、連絡部４８を通って筺体に入り、筺体の内側壁と、繊維の外側直径部との間の空間を実質的に充填する。エネルギーが、熱可塑性樹脂中空管の壁を通して第１の流体と第２の流体との間で伝達される。第２の流体は、流体コネクタポート５０を通って筺体から出る。流体の例には、液体、液体の蒸気、気体、および超臨界流体が含まれる。
【００３０】
製造業者が、種々の材料から膜を製造し、最も一般的な種類のものは合成ポリマーである。重要な種類の合成ポリマーは熱可塑性ポリマーであり、熱可塑性ポリマーは加熱すると流動し、かつ成形され、かつ冷却するとそれらの元の固体性状を回復することができる。管または膜を使用する用途における条件がより厳しくなると、使用することができる材料が限定されてくる。例えば、マイクロエレクトロニクス業界においてウエハコーティング用に使用する有機溶剤系溶液は、いくつかのポリマー管および膜を、溶解または膨潤させ、かつ弱めるであろう。同業界における高温剥離浴は、高度に酸性かつ酸化性の化合物からなり、通常のポリマーの膜および管を破損させるであろう。
【００３１】
本発明の実施において、直径約０．１８ｍｍ（０．００７インチ）から約１３ｍｍ（０．５インチ）の範囲、より好ましくは約０．６４ｍｍ（０．０２５インチ）から約２．５ｍｍ（０．１インチ）の外径、および厚さ約０．０３ｍｍ（０．００１インチ）から約２．５ｍｍ（０．１インチ）の範囲、好ましくは約０．０８ｍｍ（０．００３インチ）から約１．３ｍｍ（０．０５インチ）の壁厚を有する熱可塑性樹脂で作った中空管が有用である。これらの管は個別に使用することができ、または、それらを組み、編み、もしくは撚ることにより組み合せて、複数の中空管からなるコードを形成させることができる。
【００３２】
本発明の実施において有用であるペルフルオロネーテッド熱可塑性樹脂またはそれらの混合物には、［ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロメチルビニルエーテル］（ＭＦＡ）、［ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロプロピルビニルエーテル］（ＰＦＡ）、［ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン］（ＦＥＰ）、および［ポリフッ化ビニリデン］（ＰＶＤＦ）が含まれるが、それらに限定されない。ＰＦＡ  Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）およびＦＥＰ  Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）熱可塑性樹脂は、ともに、デラウエア州、ＷｉｌｍｉｎｇｔｏｎのＤｕＰｏｎｔ社により製造される。Ｎｅｏｆｌｏｎ（登録商標）ＰＦＡは、Ｄａｉｋｉｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社から入手可能なポリマーである。ＭＦＡ  Ｈａｆｌｏｎ（登録商標）は、ニュージャージー州、Ｔｈｏｒｏｆａｒｅ、のＡｕｓｉｍｏｎｔ  ＵＳＡ  Ｉｎｃ．社から入手可能なポリマーである。予備成形されたＭＦＡ  Ｈａｆｌｏｎ（登録商標）およびＦＥＰ  Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）管は、サウスカロライナ州、Ｏｒａｎｇｅｂｕｒｙ、のＺｅｕｓ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｉｎｃ．から入手可能である。本発明の実施において有用である他の熱可塑性樹脂またはそれらの混合物には、ポリ（クロロトリフルオロエチレンフッ化ビニリデン）、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、超高分子量ポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリカーボネートが含まれるが、それらに限定されない。
【００３３】
中空熱可塑性樹脂管に、熱伝導性粉末または繊維を含浸させて、熱コンダクタンスを増加させることができる。有用な熱伝導性材料の例には、ガラス繊維、金属窒化物繊維、炭化シリコンおよび金属炭化物繊維、またはグラファイトが含まれるが、それらに限定されない。本発明において有用な中空熱可塑性樹脂管、または含浸された熱可塑性樹脂中空管の熱伝導率は、１メートル当り１ケルビン度当り約０．０５ワットを超えている。
【００３４】
気体接触、液体脱気、および透析蒸発などの、粒子濾過および物質移動の用途のための本発明の実施において有用である中空管は、中空繊維膜を含む。適切な膜は、マサチューセッツ州、Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ、のＭｙｋｒｏｌｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから共に入手可能な、［ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロプロピルビニルエーテル］（ＰＦＡ）、または超高分子量ポリエチレンから作製した中空繊維を含む。
【００３５】
好ましい実施形態において、撚り、編み、または組んだ管は、連続的なコードを形成する。国際公開第００／４４４７９号パンフレットに記載されるように、コードは方形金属枠の周囲に巻くことができ、平行側面の間の距離が、交換装置の長さを画定する。金属枠に巻き付けたコードは、中空管の融点未満のオーブン中に入れられる。中空管は、中空管の融点を下回る温度で熱的にアニーリングされ、次いで冷却されて組み、編み、または撚られた管の山もしくは曲りを固定させ、コードとされる。コード管のアニーリングは、その融点を下回る通常摂氏２５０度未満、好ましくは摂氏１００度から２００度の温度で、かつ１５分から６０分の範囲の時間、またより好ましくは３０分間行われる。代替的な実施形態では、撚り、編み、または組んだ管は、スプール上でアニーリングされることができる。
【００３６】
他の実施形態において、編まれ、または撚られた管は、第１ステップにおいて熱的にアニーリングされ、次いで冷却後個々の管を互いに分離され、自立のらせん形または非周回な形状の単管を形成することができる。熱アニーリングにより中空管の山および曲りを固定させ、したがってまっすぐに伸ばすことなく個々の中空管またはコードを分離し、取り扱うことができる。
【００３７】
本発明の一実施形態において、熱的にアニーリングされ、固定された中空管のコードは、参照によりその全体を本明細書に組み込む米国特許第３３１５７５０号に記載される方法により接合されることができる。コードはまた、参照によりその全体を本明細書に組み込む欧州特許出願第０５５９１４９Ａ１号に記載される射出成型方法により、互いに接合し、かつ筺体に接合されることもできる。好ましい実施形態において、１９９９年１月２９日出願された米国特許出願第６０／１１７８５３号、および国際公開第００／４４４７９号パンフレットに記載され、かつ参照によりその全体を本明細書に組み込まれている方法が、本発明の実施において有用である。
【００３８】
本発明の実施における、用語、一体にされた末端端部ブロックまたは単体端部構造は、１つまたは複数の中空管もしくはコードを接合させ、または融着接合させる、熱可塑性樹脂塊またはウェルを記述することを意図している。図７は、熱可塑性樹脂に融着接合して、一体にされた末端端部ブロック構造を形成している中空管、および熱可塑性樹脂に融着接合していない中空管の一例を例示している。米国特許出願第６０／１１７８５３号は、熱可塑性樹脂に接合した中空繊維を記述している。場合によって、流体コネクタポートを有する熱可塑性端部キャップまたは熱可塑性樹脂筺体は、１つまたは複数の一体にされた末端端部ブロックに融着接合できる。本発明を例示する目的で、中空管、熱可塑性樹脂、および熱可塑性樹脂筺体を含む一体にされた末端端部ブロックを記述する。ポッティングおよび接合ステップの前に、筺体の両端表面をまず前処理することにより、ペルフルオロネーテッド熱可塑性樹脂材料だけからなる単一体を形成する筺体を調製する。一体にされた末端端部ブロックの端部構造、すなわち、編まれた、もしくは撚られた管およびポッティングが筺体に接合されて、ペルフルオロネーテッド熱可塑性樹脂材料だけからなる単一体を形成することを意味する構造を、ポッティングおよび接合ステップの前に、筺体の両端の表面をまず前処理するステップにより調製する。このステップは、ポッティング材料を筺体に溶融接合することにより達成される。筺体の両端の内部表面を、それらの融点の付近、またはちょうど融点に加熱して、ニュージャージー州、Ｔｈｏｒｏｆａｒｅ、のＡｕｓｉｍｏｎｔ  ＵＳＡ  Ｉｎｃ．社から入手可能な、粉末にした［ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロメチルビニルエーテル］熱可塑性ポッティング樹脂を入れたカップ中に直ちに浸ける。筺体の表面温度がポッティング樹脂の融点よりも高いので、ポッティング樹脂は次いで熱可塑性樹脂筺体に融着される。次いで筺体を取り出し、ヒートガンで仕上げて、どんな過剰の未溶融の熱可塑性樹脂粉末をも融着させる。処理しようとする管の両端を、この前処理によって、少なくとも２回処理するのが好ましい。
【００３９】
アニーリングし撚られた中空管コードを、ポリ（テトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）ＰＦＡ、またはＭＦＡ製のシェル管中に挿入する。シェル管は、場合によっては、その表面に流体管継手を融着接合して、入口ポートおよび出口ポートを形成する。シェル管内における、管コードの充填密度は、３〜９９体積パーセント、より好ましくは２０〜６０体積パーセントの範囲にすべきである。
【００４０】
筺体中への管コードのポッティングおよび接合は、単一ステップで行うことができる。好ましい熱可塑性樹脂ポッティング材料は、ニュージャージー州、Ｔｈｏｒｏｆａｒｅ、のＡｕｓｉｍｏｎｔ  ＵＳＡ  Ｉｎｃ．社から入手可能なＨｙｆｌｏｎ（登録商標）ＭＦＡ９４０ＡＸ樹脂である。方法は、少なくとも一端が閉じているアニーリングされ撚られた中空管コードのある長さの束の部分を、容器内に保持した溶融した熱可塑性樹脂の溜まり内に作った一時的な凹所に垂直に立てる。中空管を、画定された垂直位置に保持し、熱可塑性ポリマーを溶融状態に保持して、したがって熱可塑性ポリマーが一時的な凹所中に流入し、中空管の周囲に流入し、かつ垂直に繊維から立ち上がり、繊維間の間隙空間を熱可塑性ポリマーで完全に充填するようにする。一時的な凹所は、中空管の束をその場所に立て、固定するのに十分な時間、溶融したポッティング材料中に凹所として残っている凹所であり、次いで溶融した熱可塑性樹脂により充填される。その凹所の一時的な性質は、保持するポッティング材料の温度、中空管束を置いている間維持するポッティング材料の温度、およびポッティング材料の物理的特性により制御することができる。中空管の端部は、密封し、栓を施し、または好ましい実施形態では輪を作ることにより閉じることができる。
【００４１】
装置の第１の端部をポッティングし融着して、中空管、筺体、および熱可塑性樹脂を含む一体にされた末端端部ブロックにすると直ちに、装置の第２の端部をポッティングする。その方法は、外部加熱ブロックまたは他の熱源により約２６５℃から２８５℃前後の範囲、約２７０℃から２８０℃前後の好ましい範囲にある温度で、溶融物が透明になり、閉じ込められている気泡がなくなるまで、加熱カップ内のポッティング樹脂を加熱するステップを含む。溶融物に棒を挿入して、凹所またはくぼみを作る。次いで筺体および中空管束をくぼみに挿入する。この時点で、中空管束も筺体もポッティング樹脂に接触しないように注意するのが重要である。溶融した樹脂は重力により流れて、時間をかけて空隙を充填し、中空管をポッティングし、かつ同時に筺体に接合する。ポッティングした端部を冷却し、次いでそれらを切断し、中空管の管腔を露出させる。次いで、ポッティングした表面は、ヒートガンを使用してさらに仕上げて、どんな汚れた、または粗面のポッティング面をも溶融除去する。２０００本以上などの多数の中空管を有するモジュールについて、モジュールの修復可能な欠陥をポッティングして、清浄なはんだごてを使用して破損領域を融着し、閉じることが可能である。
【００４２】
本発明の他の実施形態は、中空管からなるらせん形コードをポッティングするのに有用である。第１のステップでは、撚られまたは編まれた中空管の各端部を、金型内でポッティングする。金型は、シェル管の内径よりも若干小さくし、アルミニウムもしくはニッケル、または同様の合金で製作することができる。ポッティングおよび冷却の後、金型を取り外す。一体にされた末端端部ブロックの中空管の端部を、上述のように切断することにより開口させる。中空管の両端をポッティングした後、形成した一体にされた末端端部ブロック構造を、前処理したＭＦＡまたはＰＦＡシェル筺体管、または端部キャップ中に挿入し、短い加熱工程で一体にされた末端端部ブロックを筺体管または端部キャップに融着させる。
【００４３】
図３に例示する本発明の好ましい実施形態において、少なくとも１つの熱可塑性樹脂管６６を、交換装置のシェル面上の少なくとも１つの流体管継手４８に挿入する。管は、管継手に最も近い管束の一部分に配置するのが好ましい。管は、筺体に熱的に接着し、またはシェル管継手に押し嵌めすることができる。管は、装置内の流体の流れの分配性向上をもたらす。
【００４４】
本発明の装置を、作動およびプロセス流体源に接続するのに有用な流体管継手は、Ｆｌａｒｅｔｅｋ（登録商標）、Ｐｉｌｌａｒ（登録商標）、Ｓｗａｇｅｌｏｃｋ（登録商標）、ＶＣＯ（登録商標）、標準型管ねじ込み管継手またはバーブ（ｂａｒｂ）管継手を含むが、それらに限定されない。好ましい実施形態において、２個所の接続部をプロセス流体に提供する。すなわち、１個所の入口接続部を装置に流入する流体流に、また１個所の出口接続部を装置から流出する流体流に提供する。プロセス流体は管を通過して、または管を越えて外側に流れることができる。プロセス流体用入口および出口接続部は、溶接、ねじ込み、フランジ使用、または熱可塑性樹脂への融着接合によって、一体にされた末端端部ブロックに結合できる。交換装置に筺体を提供する場合、プロセス流体用入口接続部は、溶接、ねじ込み、またはフランジ使用によって、筺体およびまたは一体にされた末端端部ブロックに結合できる。好ましい実施形態において、接続部は、筺体およびまたは一体にされた末端端部ブロックに融着接合される。筺体を通る作動流体流、または筺体から出る濾過された液体流のために、１つまたは複数の流体接続部を提供できる。筺体を通る作動流体流、または濾過された液体流のための、１個所または複数個所の流体接続部は、溶接、ねじ込み、または筺体へのフランジ取付により、筺体に結合できる。好ましい実施形態において、接続部は、筺体に融着接合される。
【００４５】
一般手順１
１つまたは複数の内径約１．２ｍｍ（０．０４７インチ）、および壁厚約０．１５ｍｍ（０．００６インチ）を有する、予備成型された中空ＭＦＡ管は、サウスカロライナ州、Ｏｒａｎｇｅｂｕｒｙ、のＺｅｕｓ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ  Ｉｎｃ．から得られた。中空ＭＦＡ管を手で撚られた対にしてポッティングのためのコードを作って、約３０ｃｍ（１フィート）のコード当り約１２回の撚りが得られた。単一のコードは、幅約２０ｃｍ（８インチ）および長さ約４６ｃｍ（１８インチ）〜約６９ｃｍ（２７インチ）の金属枠に巻き付け、金属枠にコードを約７５回の巻付けを行うことが可能であった。枠および巻き付けたコードを、オーブン内において摂氏１５０度で３０分間アニーリングした。アニーリングの後、ラックからそれぞれ長さ約４１ｃｍ（１８インチ）〜約６９ｃｍ（２７インチ）の約７５巻きのコードが得られた。単一ラックまたは複数ラックからのコードを集めて、長さ約４１ｃｍ（１６インチ）〜約６４ｃｍ（２５インチ）と測定される、前もって加熱処理し、かつＭＦＡ被覆したＰＦＡ管中に納めた。この管の内径は約２．５ｃｍ（１インチ）〜約５．７ｃｍ（２．２５インチ）であり、約０．６ｃｍ（１／４インチ）のＦｌａｒｅＴｅｋ（登録商標）流体管継手を、ＰＦＡ管の各端部からおよそ約５ｃｍ（２インチ）の所に接合した。装置の各端部に、ニュージャージー州、Ｔｈｏｒｏｆａｒｅ、のＡｕｓｉｍｏｎｔ  ＵＳＡ  Ｉｎｃ．社から得た、Ｈｙｆｌｏｎ（登録商標）ＭＦＡ９４０ＡＸ樹脂を使用して、２７５℃で約４０時間ポッティングした。４０時間のポッティングの後の各端部の冷却は、１５０℃まで０．２℃／分の速度で制御した。一体にされた末端ブロック端部から樹脂を除去し、旋盤またはナイフを使用しポッティングした装置の端部部分を機械加工することにより、中空管を開口させた。ポッティングした交換器の流体管継手は、管の各端部に管用ねじを刻むことにより、または管上に端部キャップを熱的に融着することにより作製した。
【実施例１】
【００４６】
管を撚らず、またはアニーリングしなかった点を除き、手順１によって、内径約２．５ｃｍ（１インチ）ＰＦＡ管を含む筺体を有する試作熱交換器を調製した。装置は、長さ約３８ｃｍ（１５インチ）と測定される１５０本のまっすぐなＭＦＡ管を内蔵していた。
【００４７】
試作機は、下記の条件のもとで試験した。温度６３℃の熱水を、流量およそ１７５０ｍｌ／分で、装置の管側に供給した。温度１９℃の冷水を、流量およそ１０７０ｍｌ／分で、装置のシェル側に供給した。熱水流路および冷水流路は、互いに向流であった。入口温度および出口温度、ならびに流量を、１時間にわたり管側およびシェル側流体流について５分ごとに記録した。この実験からの結果は、図６に示す表１に詳細を示している。これらの条件のもとで、冷水が１８．９℃から３８．８℃まで加熱され、２つの流体間で合計して１４８６ワットのエネルギーが交換された。
【実施例２】
【００４８】
約３０ｃｍ（１フィート）当り約１２回撚られた中空ＭＦＡ管約１５０本を内蔵する点を除き、手順１によって、約２．５ｃｍ（１インチ）内径ＰＦＡ管を含む筺体を有する試作熱交換器を調製した。撚られたコードを、金属ラック上でアニーリングして、長さ約３８ｃｍ（約１５インチ）と測定されるおよそ７５本のコードをもたらした。
【００４９】
試作機は、下記の条件のもとで試験した。温度５５℃の熱水を、流量およそ１６５０ｍｌ／分で、装置の管側に供給した。温度１９℃の冷水を、流量およそ１０７０ｍｌ／分で、装置のシェル側に供給した。熱水流路および冷水流路は、互いに向流であった。入口温度および出口温度、ならびに流量を、１時間にわたり管側およびシェル側流体流について５分ごとに記録した。この実験からの結果は、図６の表１に詳細を示している。これらの条件のもとで、冷水が１８．９℃から４４．０℃まで加熱され、２つの流体間で合計して１８７４ワットのエネルギーが交換された。
【実施例３】
【００５０】
この予想される実施例は、本発明の交換装置を含むウエハ加工ツールが、半導体ウエハ洗浄用に使用する液体の加熱にどのように使用することができるかを示している。
【００５１】
手順１の方法を使用して、約６５０本の撚られた中空ＭＦＡ管、すなわち３２５対を有する交換装置を、熱的にアニーリングし、約５ｃｍ（２インチ）内径ＰＦＡ管に融着接合することができる。装置の長さは約４６ｃｍ（約１８インチ）とすることができ、液体体積約３００ミリリットルを有する。本装置は、ウエハ加工ツールの一部であり、その入口流体接続部が、約１体積パーセントの過酸化水素を含有する１０％塩酸水溶液の供給源へのラインに接続されている。交換装置の出口は、弁、場合によって止め吸入戻し弁、および洗浄される基板上に酸水溶液を分与するノズルに接続されている。交換装置シェル側の流体入口接続部の一方は、熱水の供給源にライン内で接続される。熱脱イオン水は、一般に、半導体工場において約摂氏７５度の温度で入手可能である。交換装置のシェル側を通る加熱された水が、交換装置の管内に入っている酸溶液を加熱する。流体流がなくなった可変時間の後、交換装置の出口にある弁を開き、加熱された酸および酸化剤水溶液をウエハ上に分与し、そこで水溶液はウエハの洗浄に使用される。弁を閉じ、液体酸および酸化剤を交換装置の中空管中に流し、そこで次に分与するよう液体を加熱する。
【実施例４】
【００５２】
この予測される実施例は、クロスフロー濾過のための交換器が、熱的にアニーリングされ組まれた多孔性中空ＰＦＡ管を利用して、どのように製作できるかを示している。
【００５３】
マサチューセッツ州、Ｂｉｌｌｅｒｉｃｉａ、のＭｙｋｒｏｌｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な、外径５５０ミクロンを有する中空多孔性ＰＦＡ繊維約１５０本で、非多孔性中空ＭＦＡ管を置き換えている点を除き、手順１によって、約２．５ｃｍ（１インチ）直径ＰＦＡ管を含む筺体を有する試作濾過装置を調製した。中空繊維は、ストランド当り３回組むことができ、長さ約３８ｃｍ（１５インチ）と測定されるラックに巻くことができる。組んで、巻いた中空繊維を、摂氏約１５０度で熱的にアニーリングして、中空繊維の組みおよび長さを固定することができる。熱的にアニーリングし、編組みした中空繊維は、国際公開第００４４４７９号パンフレットに開示される方法により、装置内にアセンブリされている。
【００５４】
本装置の筺体には、コロイド、ゲル、または硬質粒子などの不溶性懸濁材料を含有する流体流のための入口および出口ポート接続部がある。懸濁した固体粒子を含有する流体の例は、化学機械的研摩スラリ中のアルミナを含み、流体中のコロイドの例は、シリカを含むことができる。不溶性懸濁材料を含有する流体は、多孔性中空繊維管の内側を通って流れる。筺体は、濾過された液体が筺体から流出するための、単一の流体流ポート接続部を有する。懸濁した固体を含有する液体の一部は、編組みした多孔性中空管を越えて流れる。いくらかの固体は多孔性膜により保有され、濾過された流体の一部は、膜を通過して、筺体の流体ポートから排出される。
【実施例５】
【００５５】
この予測される実施例は、気体から液体への物質移動のための交換器が、熱的にアニーリングされ組まれた多孔性中空ＰＦＡ管を利用して、どのように作製できるかを示している。
【００５６】
マサチューセッツ州、Ｂｉｌｌｅｒｉｃｉａ、のＭｙｋｒｏｌｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から入手可能な、外径５５０ミクロンを有する多孔性中空ＰＦＡ繊維約１５０本で、中空ＭＦＡ管１５０本を置き換えている点を除き、手順１によって、約２．５ｃｍ（１インチ）直径ＰＦＡ管を含む筺体を有する試作濾過装置を調製した。中空繊維は、ストランド当り３回組むことができ、長さ約３８ｃｍ（１５インチ）と測定されるラックに巻くことができる。組み、巻いた中空繊維を、約１５０Ｃで熱的にアニーリングして、繊維の組みおよび長さを固定することができる。熱的にアニーリングし、組まれた中空繊維は、国際公開第００４４４７９号パンフレット中に開示される方法により、装置内にアセンブリされることができる。
【００５７】
本装置の筺体は、多孔性中空繊維管の内側を通る脱イオン水流のための入口および出口ポート接続部を有することができる。筺体の２つのポートの一方は、オゾン発生器、例えば、マサチューセッツ州、ＷｏｂｕｒｎのＡｓｔｅｘ社から入手可能な、Ａｓｔｅｘ８４００オゾン発生器により発生されるオゾンガス供給源への接続に使用することができる。編組みされた多孔性中空ＰＦＡ管を通って浸透することにより、オゾンガスは水中に溶解する。過剰なオゾンガスは、筺体の第２のポートを通って通気される。管の内側から出てくる水は、水中に溶解されたオゾンガスを含有する。このオゾン化された水は、修正ＲＣＡ洗浄方法を用いてウエハを洗浄するのに有用である。
【実施例６】
【００５８】
本実施例は、薄壁中空ＰＦＡ管２０本を有する、本発明の熱交換装置を例示する。装置は、ライン内を流れる水を加熱するのに使用した。
【００５９】
筺体コンジットとして、長さ約４３ｃｍ（１７インチ）の約１．３ｃｍ（０．５インチ）外径ＰＦＡ管を使用した。筺体コンジットは、入口ポートおよび出口ポートを有し、両端を、ＰＦＡポッティング材料を使用して、壁厚０．１５ｍｍを有する１．０５ｍｍ内径ＰＦＡ管２６本に融着接合した。筺体を通る別々の流れに、Ｊ形熱電対２本を配置した。第１の熱電対は、交換装置筺体コンジットの入口ポートに接続し、第２の熱電対は、加熱装置筺体コンジットの出口ポートに接続した。操作プロセスにおいて、水は入口熱電対筺体を通過し、交換器装置筺体に入り、中空管を通過する。作動流体もしくは交換流体は、入口熱電対筺体を通過し、向流の形で筺体のシェル側に入り、そこで中空管の外側に接触した。次いで、交換流体もしくは作動流体は、筺体コンジットのシェル側の出口ポートを通過し、また第２の出口熱電対筺体を通過する。交換装置管を通って流れるプロセス水は、第２の熱電対筺体を通って管から出る。装置のシェル側に流入する、温度摂氏約１６度における流量１分当り１０００ミリリットルの水によって、温度摂氏５５．５度、および流量１分当り２６０ミリリットルで管に流入する水が、管を出るとき３３．１℃に冷却された。異なる管側流量における本装置の性能を、図８に要約している。
【実施例７】
【００６０】
本実施例は、薄壁中空ＭＦＡ管６８０本を有する、本発明の熱交換装置を例示する。装置は、ライン内を流れる水を冷却するのに使用した。
【００６１】
約３０ｃｍ（１フィート）当り約１２回の撚りでともに撚られた中空ＭＦＡ管約６８０本を内蔵する点を除き、手順１によって、約５．８ｃｍ（２．２５インチ）内径で長さ約８１ｃｍ（３２インチ）のＰＦＡ管を含む筺体を有する試作熱交換器を調製した。撚られたコードを、金属ラック上でアニーリングして、長さ約８６ｃｍ（約３４インチ）と測定されるコードをもたらした。筺体シェル側の入口流体管継手は、約１．３ｃｍ（１／２インチ）のＦｌａｒｅｔｅｋ（登録商標）であった。それらの管継手は、約６９ｃｍ（２７インチ）離れ、装置の端部から約６．４ｃｍ（２．５インチ）離れていた。管側流用の筐体流体管継手は、約１．９ｃｍ（３／４インチ）Ｆｌａｒｅｔｅｋ（登録商標）であり、筺体管に融着接合した。
【００６２】
試作機は、下記の条件のもとで試験した。温度７０．１℃の熱水を、１分当りおよそ４．４リットルの流量で、装置の管側に供給した。温度１４．５℃の冷水を、１分当りおよそ６．６リットルの流量で、装置のシェル側に供給した。熱水流路および冷水流路は、互いに向流であった。入口温度および出口温度、ならびに流量を、Ａｇｉｌｅｎｔデータロガを使用して記録した。この実験からの結果は、図９の表に詳細を示している。これらの条件のもとで、管内の熱水が７０．１℃から２２．９℃まで冷却され、２つの流体間で合計して１４，４００ワットのエネルギーが交換された。他の流量における本装置の性能を、図９に要約している。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】撚られて編まれた中空管の例を示す概略図である。
【図２Ａ】非周回中空管を熱可塑性樹脂に融着させた交換装置を示す断面概略図である。
【図２Ｂ】流体入口および出口接続部を有する、非周回中空管を熱可塑性樹脂に融着させた交換装置の断面概略図である。
【図２Ｃ】流体入口および出口接続部、および流体接続部の付いた筺体を有する、非周回中空管を熱可塑性樹脂に融着させた交換装置の断面概略図である。
【図３】流体入口および出口接続部、および流体接続部の付いた筺体を有する、撚られた中空管を熱可塑性樹脂に融着させた交換装置の断面概略図である。
【図４】流体入口および出口接続部、および流体接続部の付いた筺体を有する、編まれた中空管を熱可塑性樹脂に融着させた交換装置の断面概略図である。
【図５】流体入口および出口接続部、および流体接続部の付いた筺体を有する、編まれた中空管を熱可塑性樹脂に融着させた交換装置の端面を示す概略図である。
【図６】実施例２および実施例３において記述している熱交換器の性能の詳細を示す表である。
【図７】本発明による方法を使用して熱可塑性樹脂に融着させた中空管の端部を示す顕微鏡写真である。
【図８】実施例６において記述している管２０本の熱交換器の性能の詳細を示す表である。
【図９】実施例７において記述している管６８０本の熱交換器の性能の詳細を示す表である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年4月10日(2003.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交換装置であって、
ａ）複数の熱可塑性樹脂中空管を備え、該中空管が、コードからなるグループから選択される形態を有し、かつ非周回形状を有し、各中空管が、２つの端部および該２つの端部の間を通る中空部を有し、
ｂ）前記中空管の少なくとも１つの前記端部が、少なくとも前記端部の周辺で熱可塑性樹脂を介して融着接合されて、一体にされた末端端部ブロックを形成し、前記一体にされた末端端部ブロックにおいて、前記中空管の端部が、液密に一緒に前記熱可塑性樹脂に融着された形で接合され、
ｃ）前記一体にされた末端端部ブロックが、前記管の接合されていない部分の中空部と連通する貫通孔を有し、
ｄ）前記一体にされた末端端部ブロックが、第１の流体を前記中空管に供給する第１の流体入口接続部と、前記第１の流体を前記中空管から取り出す第１の流体出口接続部とを有し、前記交換装置が、
ｅ）前記中空管を内蔵し、少なくとも１つの前記一体にされた末端端部ブロックに融着接合されている筺体をさらに備え、
ｆ）前記筺体が、前記筺体を通って第２の流体を輸送するための、少なくとも１つの接続ポートを有する、交換装置。
【請求項２】
少なくとも１つの熱可塑性樹脂中空管が、非周回である、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記熱可塑性樹脂中空管が、コードに組まれている、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記熱可塑性樹脂中空管が、コードに組まれ、前記コードが、熱的にアニーリングされて前記組みを固定している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記中空管が、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロメチルビニルエーテル、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロプロピルビニルエーテル、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、および超高分子量ポリエチレンからなるグループから選択される、熱可塑性樹脂または該熱可塑性樹脂の混合物から構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記熱可塑性樹脂中空管が、多孔性である、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂管が、熱伝導性材料を含浸されている、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
交換装置を作製する方法であって、
ａ）第１の端部および第２の端部を有する複数の熱可塑性樹脂中空管で構成され、少なくとも１つのコードを形成するように組まれている束を形成するステップと、
ｂ）１つまたは複数の前記熱可塑性樹脂中空管の束の第１の端部を、熱可塑性樹脂に融着して、第１の一体にされた末端端部ブロックを形成するステップと、
ｃ）１つまたは複数の前記熱可塑性樹脂中空管の束の第２の端部を、熱可塑性樹脂に融着して、第２の一体にされた末端端部ブロックを形成するステップと、
ｄ）前記熱可塑性樹脂に融着された中空管を通って流体流を供給するように、第１および第２の一体にされた末端端部ブロックの管端部を開口するステップとを含み、
前記中空管が、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロメチルビニルエーテル、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ペルフルオロプロピルビニルエーテル、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、および超高分子量ポリエチレンからなるグループから選択される、熱可塑性樹脂または該熱可塑性樹脂の混合物から構成される、方法。
【請求項９】
前記熱可塑性樹脂に融着される前記中空管の開放端が、前記中空管の接合されない部分と実質的に同一の断面積を有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記コードにおける中空管の組みを固定するように、前記コードを前記熱可塑性樹脂中空管の融点未満の温度でアニーリングするステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記アニーリングされたコードが、個々の熱可塑性樹脂中空管に分離され、かつ次いで非周回中空管の束として前記熱可塑性樹脂と接合される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記一体にされた末端端部ブロックに少なくとも１つの流体接続ポートを接合するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１および第２の一体にされた末端端部ブロックに熱可塑性樹脂筺体を接合するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
第１の流体から第２の流体への伝熱のために請求項１に記載の交換装置を使用する方法であって、前記方法が、
ａ）前記中空管の第１の側に第１の流体を流すステップと、
ｂ）前記中空管の第２の側に第２の流体を流すステップと、
ｃ）前記熱可塑性樹脂中空管の壁を通して前記第１の流体と第２の流体との間でエネルギーを伝達するステップとを含む、方法。
【請求項１５】
前記流体が、フォトレジスト、反射防止コーティング、レジスト剥離剤、またはフォトレジスト現像液である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記流体が、スピン塗布誘電体である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記流体が、銅イオンを含む流体である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記流体が、酸、塩基、酸化剤、およびそれらの混合物からなるグループから選択される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記液体が、有機質液体である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２の流体が、不活性気体、水、ポリエチレングリコール組成物、および水蒸気からなるグループから選択される、請求項１０に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１の流体が、気体である、請求項１４に記載の方法。
【請求項２２】
流体のクロスフロー濾過のために請求項６に記載の交換装置を使用する方法であって、前記方法が、
ａ）前記中空多孔性管の第１の側に、不溶性懸濁材料を含有する第１の流体を流すステップと、
ｂ）前記中空多孔性管を通して前記第１の流体の一部を濾過するステップとを含み、前記中空多孔性管が前記不溶性懸濁材料の一部を保持し、かつ前記中空多孔性管を通して前記流体の一部を通過させる、方法。
【請求項２３】
流体間の物質移動のために請求項６に記載の交換装置を使用する方法であって、前記方法が、
ａ）前記中空多孔性管の第１の側に第１の流体を流すステップと、
ｂ）前記多孔性中空管の第２の側に第２の流体を流すステップと、
ｃ）前記第２の流体の一部を第１の流体中に溶解するステップとを含む、方法。
【請求項２４】
前記第１の流体が水溶液であり、また第２の流体が気体である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
流体流回路にライン内で接続されるように構成された交換装置であって、
ａ）流体管継手を備えている筺体と、
ｂ）前記筺体内の位置に配置され、熱可塑性樹脂から製作した複数の非周回中空管を内蔵する交換器コアとを備え、
ｃ）前記管が、長さ方向に配列され、かつ２つの端部を有し、該２つの端部が、熱可塑性樹脂を介して該２つの端部の周辺で融着接合されて一体にされた末端端部ブロックを形成し、前記一体にされた末端端部ブロックにおいて、前記非周回管の端部が、さらに末端端部ブロックを貫通して流体連通可能であるように、液密に融着された形で接合され、
ｄ）前記筺体が、第２の流体と接触される第１の流体を、前記交換器コアの第１の端部に供給する第１の流体入口と、前記非周回管から前記接触された第１の流体を取り出す第１の流体出口接続部とを有し、前記筺体が、前記第１の流体と接触される第２の流体を、前記筺体の内壁と前記非周回管との間に形成される容積に供給する第１の流体入口接続部と、前記接触された第２の流体を取り出す第２の出口接続部とを有する、交換装置。
【請求項２６】
増大された境界層分離を有する熱可塑性樹脂中空管を作り出す方法であって、前記方法が、
ａ）交換装置に熱可塑性樹脂中空管を固定するステップと、
ｂ）前記中空管が非周回になるように、前記中空管の構造を歪ませるステップとを含む、方法。
【国際調査報告】
2005526944.tif 000013
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2005526944.tif 000015
2005526944.tif 000016