CN107921334A - 高压过滤器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压过滤器,其包含:第一壳体及第二壳体,其具有互补渐缩表面;垫圈,其位于所述渐缩表面之间;过滤器元件,其居中地安置于所述壳体内;及压缩轴环,其装配在所述第二壳体上方且旋拧到所述第一壳体上。还提供制成且使用高压过滤器的方法。
Description
相关申请案
本申请案主张2015年7月8日提出申请的第62/190,100号美国临时申请案的权益。以上申请案的全部教示以引用方式并入本文中。
背景技术
半导体制造操作需要没有杂质、污染物及颗粒的高纯度金属(例如锡)及高纯度气体(例如溴化氢),所述杂质、污染物及颗粒可破坏过程且导致正生产的工件中的缺陷。熔融金属的过滤尤其需要在高温及高压下执行过滤。用于过滤熔融金属的过滤器必须在高温(举例来说,大于200℃的温度)及高压(举例来说,高达8000psig)下提供防漏密封。
现有技术中教示的装置及方法未必满足半导体工业中的当今顾客的要求。持续需要在高温及高压下提供防漏性能以用于过滤熔融金属及气体的过滤器。
发明内容
本发明关于高压过滤器以及制成且使用高压过滤器的方法,所述高压过滤器用于移除可存在于熔融金属或气体中的杂质、污染物及颗粒。
在本发明的版本中,一种高压过滤器包括第一壳体及第二壳体,所述壳体中的每一者具有在第一端上的渐缩表面及在第二端上的流体配件。所述第二壳体的所述渐缩表面与所述第一壳体的所述渐缩表面互补地渐缩,且垫圈位于所述第一壳体的所述渐缩表面与所述第二壳体的所述渐缩表面之间。过滤器元件居中地安置于所述第一壳体及所述第二壳体内。所述第一壳体的外部表面的至少一部分为带螺纹的且压缩轴环装配在所述第二壳体上方且旋拧到所述第一壳体上。
在本发明的特定版本中,所述第一壳体及所述第二壳体包括钼。或者,所述第一壳体及所述第二壳体包括铝、碳化硅、不锈钢、镍或镍合金。所述压缩轴环可包括钼、不锈钢、镍或镍合金。所述垫圈可包括钽、钛、不锈钢、镍或镍合金。
在本发明的另一版本中,所述第一壳体的所述渐缩表面以不同于所述第二壳体的所述渐缩表面的角度渐缩,此可增强位于所述渐缩表面之间的所述垫圈的压缩。在本发明的版本中,高压过滤器在大约200℃到大约400℃或大约250℃到大约300℃的温度下为防漏的。本发明的高压过滤器在操作期间于高达大约8000psig的压力下可为防漏的。
在本发明的进一步版本中,所述垫圈包含凸缘,所述凸缘可阻止在所述壳体的所述渐缩表面之间的所述垫圈的滑动或移动。居中地安置于所述壳体内的所述过滤器元件可为烧结粉末多孔过滤器元件。所述流体配件可为VCR、真空耦合半径密封配件或压缩配件。
在本发明的另一版本中,一种过滤液体或气体进料的方法包括:提供高压过滤器;将含有污染物的进料引入到所述高压过滤器中;及从所述高压过滤器回收经净化而不含污染物的所述进料。所述进料可沿着从所述第一壳体的所述流体配件穿过所述过滤器元件到达所述第二壳体的所述流体配件的流动路径行进,其中所述污染物保留在所述过滤器元件内。所述进料可为液态金属或气体。
在本发明的又一版本中,一种制成高压过滤器的方法包括:加热高压过滤器的第一壳体;将烧结粉末多孔过滤器元件装配到所述第一钼壳体中;将垫圈放置在所述第一壳体的渐缩表面上方;将具有互补渐缩表面的第二壳体放置成与所述垫圈及所述第一壳体密封接触;及将压缩轴环旋拧在所述第二壳体上方且旋拧到所述第一壳体的至少一部分上,借此在所述第一壳体与所述第二壳体之间提供防漏密封。
附图说明
依据对本发明的实例性实施例的以下更特定说明将明了前文,如附图中所图解说明,其中相似元件符号在所有不同视图中是指相同部件。图式未必是按比例的,而是重点放在图解说明本发明的实施例上。
图1A是根据本发明的一个版本的高压过滤器的截面视图。
图1B是图1A的高压过滤器的组件的分解图。
图1C是具有流体流动路径箭头的图1A的高压过滤器的横截面的透视图。
图2A是具有由箭头所图解说明的流动路径的根据本发明的一个版本的高压过滤器的截面视图。
图2B是具有垫圈的另一版本的图2A的高压过滤器的截面视图。
图3是根据本发明的一个版本的高压过滤器的截面视图。
图4是根据本发明的一个版本的高压过滤器的截面视图。
图5是根据本发明的一个版本的高压过滤器的密封表面的详细视图。
图6A及6B是根据本发明的一个版本的垫圈的透视图。
具体实施方式
虽然已参考本发明的实例性实施例特定地展示并描述本发明,但所属领域技术人员将理解,可在不背离所附权利要求书所涵盖的本发明的范围的情况下在本文中做出形式及细节的各种改变。
虽然描述各种组合物及方法,但应理解,本发明不限于所描述的特定组合物、设计、方法或协议,因此这些都可变化。还应理解,说明中所使用的术语仅出于描述特定版本或版本的目的,且并不打算限制将仅受所附权利要求书限制的本发明的范围。
还必须注意,如本文中所使用且在所附权利要求书中,除非上下文另外清楚地指示,否则单数形式“一(a)”、“一(an)”及“所述(the)”包含多个参考物。因此,举例来说,对“过滤器元件”的提及是对一或多个过滤器元件及所属领域的技术人员已知的其等效物等等的提及。除非另有定义,否则本文中所使用的所有技术及科学术语均具有与所属领域的技术人员通常所理解相同的含义。可在本发明的版本的实践或测试中使用与本文中所描述的方法及材料类似或等效的方法及材料。本文中所提及的所有公开案均以全文引用方式并入。本文中没有什么内容应解释为承认本发明没有资格早于根据现有发明的此类揭示内容。“任选的”或“任选地”意指随后所描述的事件或情形可发生或可不发生,且本说明包含其中所述事件发生的例子及其中所述事件不发生的例子。本文中的所有数值均可被术语“大约”修饰,不论是否明确指示。术语“大约”一般是指所属领域的技术人员将认为等效于所述值(即,具有相同功能或结果)的数值范围。在一些版本中,术语“大约”是指所述值的±10%,在其它版本中,术语“大约”是指所述值的±2%。虽然就“包括”各种组件或步骤(被解释为意指“包含但不限于”)来说而描述组合物及方法,但所述组合物及方法还可“基本上由各种组件及步骤组成”或“由各种组件及步骤组成”,此类术语应被解释为定义基本上封闭式成员群组。
下文为对本发明的实例性实施例的说明。
图1是根据本发明的一个版本的高压过滤器的截面视图。高压过滤器100包含第一壳体105及第二壳体110。第一壳体105具有凸形渐缩区域140且第二壳体110具有互补凹形渐缩区域145。渐缩区域140、145可替代地称为密封表面。渐缩垫圈150位于凸形渐缩区域140与凹形渐缩区域145之间。螺纹压缩轴环115具有啮合第一壳体105的阶梯边缘155及与位于第二壳体110的外部表面周围的螺纹120啮合的螺纹区域。将压缩轴环115旋拧到第二壳体110上会将垫圈150压缩在第一壳体105与第二壳体110之间且可在所述两个壳体之间提供液密及/或气密密封。
过滤器元件125安置于第一壳体105及第二壳体110内。过滤器元件125在一端上与第一壳体105的流体配件160且在另一端上与第二壳体110的流体配件165流体连通。流体配件165提供去往高压过滤器100的入口端口135,且流体配件160提供来自高压过滤器100的出口端口130。流体配件160、165允许将高压过滤器100连接到流体流动回路。流体配件160、165在图1A到1C中经展示为凸形配件,但还可经配置成凹形配件或另一配置。取决于应用及过滤器将***到其中的流体流动回路,流体配件160、165可为真空耦合半径密封配件(配件、Swagelok、Solon、Ohio)(如图1中所展示)、压缩配件或另一配件类型。
第一壳体105及第二壳体110可为适合用于涉及过滤熔融金属(例如液态锡)的应用的钼壳体。压缩轴环115可由钼或具有与钼相同或类似的热膨胀系数(CTE)的另一材料形成。垫圈150可为钽垫圈。
或者,第一壳体105及第二壳体110可由氧化铝、碳化硅、镍、镍合金或不锈钢形成,其中(举例来说)应用涉及不需要使用钼的气体或液体的过滤。压缩轴环115可由镍、镍合金或不锈钢或具有与不锈钢、镍或镍合金相同或类似的CTE的另一材料形成。垫圈150可为钛、不锈钢、镍或镍合金垫圈。
图1B中展示高压过滤器100的组成部件的分解图。制成高压过滤器100的方法包含将过滤器元件125压入配合或干涉配合到第一壳体105中。取决于壳体及过滤器元件材料的CTE,可在惰性环境中借助于感应线圈或熔炉将第一壳体105加热到升高温度(举例来说,大约400°F到大约800°F)以使壳体材料膨胀。可接着以足以使圆锥形过滤器元件125(其可为冷的或比第二壳体110冷)与第一壳体105的内部的至少一部分稳固地啮合的惯性将过滤器元件125的第一端***到第一壳体105的腔中。在使壳体冷却之后,由于冷缩配合过程而阻止过滤器元件125从第一壳体105滑落。将渐缩垫圈150放置在过滤器元件125的突出端上方及周围使得其齐平抵靠凸形渐缩区域140。接着将第二壳体110放置在过滤器元件125的突出端上方使得其凹形渐缩区域145齐平抵靠垫圈150。或者,过滤器元件125可压入配合、干涉配合或冷缩配合到第二壳体110中。将压缩轴环115放置在第一壳体105上方,使得阶梯边缘155啮合第一壳体105,且旋拧到第二壳体110上。随着压缩轴环115旋拧到第二壳体110上,将垫圈压缩在两个壳体105、110之间。
使用高压过滤器100的方法包含将高压过滤器100放置在流体(或气体)流动回路中,其中通过入口端口135引入例如熔融金属的液体(或气体)进料。图1C图解说明液体进料穿过高压过滤器100的由箭头所指示的流动路径。液体进料从入口端口135行进穿过第二壳体110内的流动路径到达环绕过滤器元件125的空心区域175(由第二壳体110内的腔的内部壁形成)。液体进料通过过滤器元件125进行过滤且到达过滤器元件125内的空心区域170,其中其能够通过出口端口130离开高压过滤器100。
图2A是根据本发明的又一版本的高压过滤器的截面视图。高压过滤器的第一壳体及第二壳体的密封表面可具有替代配置。如图2A中所展示,高压过滤器200包含具有凹形渐缩区域240的第一壳体205及具有凸形渐缩区域245的第二壳体210。过滤器元件225的定向与过滤器元件125(图1)的定向相反,使得从入口端口235进入过滤器200的液体进料在通过过滤器元件225过滤之前到达空心区域275(由第一壳体205及/或第二壳体210内的一或若干腔的内部壁形成)。箭头显示从入口端口235穿过过滤器元件225进入空心区域270且到达出口端口230的流动路径。
图2B是具有包含凸缘252的替代垫圈250'的图2A的高压过滤器的截面视图。如图2B中所展示,凸缘252延伸超过渐缩区域240、245的密封表面,且占据第一壳体205与第二壳体210之间的空间。凸缘252可阻止垫圈250'在渐缩区域240、245的密封表面之间移动。举例来说,在将压缩轴环215应用(例如,旋拧)到第一壳体205及第二壳体210上期间,垫圈250可抵靠渐缩区域240、245滑动,从而在远离第一壳体205且朝向螺纹区域220的方向上移动(图2A)。凸缘252可与第二壳体210中的唇缘256进行接触,借此使垫圈250'的位置维持在渐缩区域240、245的密封表面之间(图2B)。
图3是根据本发明的又一版本的高压过滤器的截面视图。高压过滤器300具有用于连接到流体流动回路内的分别提供入口端口330及出口端口335的其它组件的压缩配件360、365。压缩配件可用于高达大约8000psig的高压应用。
图4是根据本发明的另一版本的高压过滤器的截面视图。展示替代图1到3中所展示的圆锥形渐缩过滤器元件125、225、325而具有厚圆盘形过滤器元件425的高压过滤器400。通过压缩轴环415连接的第一壳体405及第二壳体410形成与垫圈450的密封。液体进料可通过第一壳体405的入口端口430进入且行进穿过到达第二壳体410内的空心区域475。第二壳体410的内部的至少一部分被厚圆盘形过滤器元件425占据,厚圆盘形过滤器元件425在液体进料经过空心区域475时过滤所述进料。经过滤液体进料可接着通过出口端口435行进离开高压过滤器400。可使用替代形状的过滤器元件。
过滤器元件125、225、325、425可为用于过滤液态金属及气体的经烧结多孔过滤器元件。在以下各项中描述多孔过滤器元件及制成此类过滤器元件的方法:1961年2月21日提出申请的第3,090,094号美国专利;1977年7月21日提出申请的第4,024,056号美国专利;1980年3月26日提出申请的第4,278,544号美国专利;1983年6月6日提出申请的第4,528,099号美国专利;1985年2月13日提出申请的第4,713,180号美国专利;1998年8月18日提出申请的第5,998,322号美国专利;2011年10月20日提出申请的第8,802,003号美国专利;及2011年4月14日提出申请的第8,869,993号美国专利;所述美国专利的教示以引用方式并入。在以下各项中进一步描述多孔过滤器元件及制成此些过滤器元件的方法:斯列普佐夫V.M.(Sleptsov V.M.)及酷必乐S.A.(Kubli S.A.)的“由耐火化合物、粉末冶金及金属陶瓷制成的烧结过滤器(Sintered Filters From Refractory Compounds,Powder Metallurgyand Metal Ceramics)”,第2卷,第6期,第470到472页(1963年);布罗克迈尔J.W.(Brockmeyer J.W.)及奥布里L.S.(Aubrey L.S.)的陶瓷泡沫过滤器在熔融金属过滤中的应用,耐火材料的应用:陶瓷工程与科学会刊,第8卷,第1/2期(W.J.司马泽(W.J.Smothers),1987版),新泽西州霍博肯市的约翰·威利与桑斯(John Wiley&Sons)的公司;里德E.L.(Reed E.L.)的“液态金属中的耐火材料的稳定性(Stability ofRefractories in Liquid Metals)”,美国陶瓷学会杂质,第37期:第146到152页(1954年);及索斯科夫D.A.(Soskov D.A.)等人的“使用耐火过滤器来在真空中精炼钢及合金(Use ofRefractory Filters to Refine Steels and Alloys in a Vacuum)”,冶金学家,第33卷,第5期,第95页(1989年);其教示以引用方式并入。用于过滤器元件的材料为可商购的,所述材料包含来自Ultramet(Pacoima,CA)的陶瓷及金属泡沫;来自CoorsTek(Golden,CO)的氧化铝及来自STC(Albans,VT)的陶瓷。
过滤器元件125、225、325、425可具有大约0.1微米到大约5微米或大约0.5微米到大约1.5微米的孔隙大小范围,如根据ASTM E128通过起泡点所测量。过滤器元件125、225、325、425可包括以下材料:钛、钨、钽、钼、铌、铝、氧化钛、氮化钛及碳化硅。过滤器元件可包括在存在熔融金属的情况下将不腐蚀的任何金属氧化物,或将经过滤的气体。
本发明的过滤器元件可用于过滤各种液态金属及气体。举例来说,本发明的过滤器元件可用于过滤介于从惰性气体(例如氩)到腐蚀性气体(例如溴化氢)的范围内的气体。可经过滤的气体包含(举例来说)氩、氮、二氧化碳、溴化氢及氯化氢及氢化物。本发明的过滤器元件还可用于过滤超临界流体,例如处于超临界状态中的二氧化碳。
本发明的过滤器元件可用于过滤包含熔融金属的液体。可经过滤的金属包含锡、铅、钠、镉、硒、汞及一般来说在大约400℃以下熔融的材料。
表1中展示液体及气体与对应实例性壳体及垫圈材料的列表。
表1.液体或气体进料及对应过滤器材料
在一些实施例中,第一壳体及第二壳体的渐缩密封表面可基本上相同地倾斜且平行。或者,密封表面可相对于沿着过滤器的中心的轴线以稍微不同角度渐缩,使得所述密封表面不平行。垫圈的侧还可具有与一个或两个密封表面的角度不同的角度。第一密封表面与第二密封表面(及/或垫圈)的角度之间的差异可相差小于1度或大约1度。举例来说,如图5中所展示,凸形渐缩区域545的角度570稍微小于凹形渐缩区域540的角度572,从而导致垫圈550的较小直径处的更多压缩及更高密封压力。密封表面之间的角度差可增强垫圈的压缩且因此在应用压缩轴环515的情况下改进第一壳体505与第二壳体510之间的密封。
图6A及6B展示除高压过滤器的其它组件以外的垫圈650a及650b。垫圈650a、650b经塑形成圆锥形,使得其在一端处具有比在另一端处小的开口圆周。垫圈650b具有较窄边缘,而垫圈650a具有较宽边缘。图6B中所图解说明的凸缘652从垫圈650b的圆锥形区域654的一端延伸。凸缘652具有圆柱形形状并具有用以容纳壳体(例如,如图5中所展示的第二壳体520)的圆周且抵靠壳体中的唇缘(例如,如图5中所展示的唇缘556)对接。
本发明的实施例针对于有利地避免高容差机械加工过程或避免涉及与其它材料进行焊接、压焊或铜焊(此可为不合意的)的高压过滤器。
举例来说,钼的焊接导致在焊接点处高达大约50%的强度损失,此使经焊接钼过滤器对于高压应用是有问题的。另外,钼可难以机械加工到在高压下防漏密封所需要的非常严紧的容差。然而,钼(Mo)由于其耐热性及耐化学性而为供在过滤器中用于熔融金属(例如锡)的优选材料。钼能够在不具有显著膨胀或软化的情况下耐受高温(举例来说,高于锡的冰点)。钽(Ta)还提供用于过滤熔融金属的耐热性及耐化学性且为比钼软的材料。如此,本发明的高压过滤器(例如包含钼壳体及钽垫圈的高压过滤器)有利地避免焊接或压焊过程同时提供高温及高压容差。
本发明的高压过滤器的优点还可适用于具有由例如不锈钢及氧化铝的其它材料形成的壳体及由例如钛的其它材料形成的垫圈的过滤器,所述过滤器对于涉及气体过滤的应用可为优选的。
根据本发明的高压过滤器可在大约200℃到大约400℃或大约250℃到大约300℃的温度下提供熔融金属的防漏过滤。进一步地,可在高达大约8000psig的操作压力下发生防漏性能。
尽管已关于一或多个实施方案图解说明及描述了本发明,但所属领域的技术人员在阅读及理解本说明书及随附图式后旋即将想到等效变更及修改。本发明包含所有此类修改及变更且仅受所附权利要求书的范围限制。另外,虽然可能已关于数种实施方案中的仅一者揭示了本发明的特定特征或方面,但此类特征或方面可与其它实施方案的一或多个其它特征组合,如对于任何给定或特定应用可能为合意的及有利的。此外,就在详细说明或权利要求书中使用术语“包含(includes)”、“具有(having)”、“具有(has)”、“具有(with)”或其变体来说,此些术语打算以类似于术语“包括(comprising)”的方式为包含性的。而且,术语“示范性”仅打算意指一实例,而非最佳实例。还将了解,出于简单目的且为了便于理解而以相对于彼此的特定尺寸及/或定向来图解说明本文中所描绘的特征及/或元件,且实际尺寸及/或定向可基本上不同于本文中所图解说明的尺寸及/或定向。
尽管已参考本发明的某些版本相当详细地描述本发明,但其它版本也是可能的。因此,所附权利要求书的精神及范围不应限于本说明书内所含纳的说明及版本。
所有专利、公开申请案及本文中引用的参考文献的教示以全文引用方式并入。
Claims (21)
1.一种高压过滤器,其包括:
第一壳体,其具有在第一端上的渐缩表面及在第二端上的流体配件,所述第一壳体的外部表面的至少一部分为带螺纹的;
第二壳体,其具有在第一端上的渐缩表面及在第二端上的流体配件,所述第二壳体的所述渐缩表面与所述第一壳体的所述渐缩表面互补地渐缩;
过滤器元件,其居中地安置于所述第一壳体及所述第二壳体内;
垫圈,其位于所述第一壳体的所述渐缩表面与所述第二壳体的所述渐缩表面之间;及
压缩轴环,其装配在所述第二壳体上方且旋拧到所述第一壳体上。
2.根据权利要求1所述的高压过滤器,其中所述第一壳体及所述第二壳体包括钼。
3.根据权利要求1所述的高压过滤器,其中所述第一壳体及所述第二壳体包括不锈钢或镍。
4.根据权利要求1或2所述的高压过滤器,其中所述压缩轴环包括钼。
5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述压缩轴环包括不锈钢或镍。
6.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述垫圈包括钽。
7.根据权利要求1到5中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述垫圈包括钛、不锈钢或镍。
8.根据权利要求1到7中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述第一壳体的所述渐缩表面以不同于所述第二壳体的所述渐缩表面的角度渐缩。
9.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述高压过滤器在操作期间于大约200℃到大约400℃的温度下为防漏的。
10.根据权利要求1到8中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述高压过滤器在操作期间于大约250℃到大约300℃的温度下为防漏的。
11.根据权利要求1到10中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述高压过滤器在操作期间于高达大约8000psig的压力下为防漏的。
12.根据权利要求1到11中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述垫圈包含凸缘。
13.根据权利要求1到12中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述过滤器元件为烧结粉末多孔过滤器元件。
14.根据权利要求1到13中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述流体配件为真空耦合半径VCR密封配件。
15.根据权利要求1到13中任一权利要求所述的高压过滤器,其中所述流体配件为压缩配件。
16.一种过滤液体或气体进料的方法,其包括:
提供高压过滤器,所述高压过滤器包括:
第一壳体,其具有在第一端上的渐缩表面及在第二端上的流体配件,所述第一壳体的外部表面的至少一部分为带螺纹的;
第二壳体,其具有在第一端上的渐缩表面及在第二端上的流体配件,所述第二壳体的所述渐缩表面与所述第一壳体的所述渐缩表面互补地渐缩;
过滤器元件,其居中地安置于所述第一壳体及所述第二壳体内;
垫圈,其位于所述第一壳体的所述渐缩表面与所述第二壳体的所述渐缩表面之间;
压缩轴环,其装配在所述第二壳体上方且旋拧到所述第一壳体上;
将含有污染物的进料引入到所述高压过滤器中,所述进料行进穿过从所述第一壳体的所述流体配件穿过所述过滤器元件且到达所述第二壳体的所述流体配件的流动路径,所述污染物保留在所述过滤器元件内;及
从所述高压过滤器回收经净化而不含污染物的所述进料。
17.根据权利要求16所述的方法,其中所述进料为液态金属。
18.根据权利要求16所述的方法,其中所述进料为气体。
19.根据权利要求16到18中任一权利要求所述的方法,其中所述第一壳体及所述第二壳体包括钼且所述垫圈包括钽。
20.根据权利要求16或权利要求18所述的方法,其中所述第一壳体及所述第二壳体包括氧化铝、碳化硅、不锈钢或镍且所述垫圈包括钛、不锈钢或镍。
21.一种制成高压过滤器的方法,其包括:
加热根据权利要求1所述的高压过滤器的第一壳体;
将烧结粉末多孔过滤器元件装配到所述第一钼壳体中;
将垫圈放置在所述第一壳体的渐缩表面上方;
将具有互补渐缩表面的第二壳体放置成与所述垫圈及所述第一壳体密封接触;及
将压缩轴环旋拧在所述第二壳体上方且旋拧到所述第一壳体的至少一部分上,从而在所述第一壳体与所述第二壳体之间提供防漏密封。
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