KR100306016B1 - 기체또는액체를여과,분리,정화하거나또는촉매변환하기위한모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 거의 원통형인 하우징(13)과, 적어도 한 단부(5)가 거의 원통형이며 중심축이 하우징(13)의 중심축과 평행한 적어도 하나의 강성 처리 요소(4)와, 일차적으로 하우징(13)에 연결되고 이차적으로 요소(4)의 상기 단부(5)에 연결되는 링(6)의 형태인 적어도 하나의 탄성 변형 가능한 금속부를 포함하고, 기체 또는 액체를 여과, 분리, 정화하거나 또는 촉매 변환하기 위한 모듈에 있어서, 상기 링(6)과 상기 요소(4)의 상기 단부(5)가 후프 끼워 맞춤에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈에 관한 것이다.

Description

기체 또는 액체를 여과, 분리, 정화하거나 또는 촉매 변환하기 위한 모듈
제1도는 본 발명에 의한 모듈을 개략적으로 도시한 도면.
제2도는 제1도에 도시된 모듈의 하우징-링-요소 연결부의 확대도.
제3도는 제1도의 모듈 내의 하우징의 부품과 링이 용접되기 전의 위치를 도시한 도면.
제4도는 용접된 후의 제3도와 동일한 부품을 도시한 도면.
제5도는 용접한 후의 제3도의 하우징-링 연결부의 용접부의 변형예를 도시한 제4도와 유사한 도면.
제6도 및 제7도는 하우징-링-요소 연결부의 변형예를 도시한 제2도와 유사한 도면.
제8도는 교차 유동 여과 방법(cross-flow filtering)의 원리를 이용한 본 발명에 의한 분리 모듈의 다른 실시예를 도시한 도면.
제9도는 제8도의 하우징-링-요소 연결부의 변형예를 도시한 도면.
제10도 및 제11도는 처리 요소가 반응성 성분을 구비하는 경우에 있어서의 본 발명에 의한 기체 정화 모듈의 다른 실시예를 도시한 도면.
제12(a)도는 2개의 링이 구비된 경우의 링-요소 연결부를 도시한 확대도.
제12(b)도는 단지 1개의 링이 구비된 동일한 링-요소 연결부를 도시한 확대도.
제13(a)도는 링-요소 접합부를 체결하는 역 후프(inverse hoop)를 도시한 도면.
제13(b)도는 링-요소 접합부를 체결하는 역 후프의 다른 변형예를 도시한 도면.
제14도는 모스 테이퍼(Morse taper)가 가압 끼워 맞춤된 링-요소 연결부를 개략적으로 도시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
4 : 처리 요소 5, 8 : 연결부품
6, 7 : 링 11 : 출구 개구
12 : 입구 개구 13 : 하우징
16 : 내부 채널
본 발명은 기체 또는 액체를 여과, 분리, 정화시키거나 촉매 변환시키기 위한 모듈에 관한 것으로, 이 모듈은 하우징 내에 정화용으로 적어도 하나의 강성의 처리 요소, 또는 분리, 여과 또는 촉매 변환시키기 위한 멤브레인을 구비하고 있다. 이러한 모듈은 액체를 여과, 분리 또는 정화시키기 위해 사용될 수 있으며, 특히 반도체 제조의 예에 사용되는 기체를 여과 또는 정화시키는 데에도 적용가능하다.
이러한 형태의 모듈은, 용융 금속 결합에 의해 조립되는 일 부품 또는 다수의 부품으로 구성되는 원통형 금속 외피 또는 하우징과, 미합중국 특허 제4,069,157호에 설명된 것과 같이 관형 또는 다중 채널형이거나 또는 미합중국 특허 제4,781,831호에 설명된 것과 같이 벌집형(honeycomb-type)의 하나 혹은 그 이상의 강성의 처리 요소를 포함하고 있다.
특히 반도체 제조에 사용되는 기체를 여과 또는 정화하기 위한 적용예에서, 이 모듈 조립체는, (예컨대, 열 사이클링 및 탈기와 같은) 사용 중에 생기는 열응력과, 예컨대 수 백 bar가 될 수 있는 기체 처리때와 같은 압력을 견디는 기계적 응력과, 특히 에칭에서와 같이 집적 회로를 제작하는데 사용되는 예컨대 염화 수소(HCl), 염화물, 브롬화물 또는 다른 부식성 기체일 수 있는 처리 유체에 의한 부식을 견뎌야 한다.
또한, 전자 산업계에서의 초청결(ultra-cleanliness) 요구 조건은 이 모듈에 의해 생성, 발산되는 입자에 의한 오염의 위험이 전혀 없어야 한다는 것이다.
이러한 모듈은 유체를 처리하기 위해서나 또는 처리 요소(들)의 세척 또는 재생을 위해서를 불문하고 대기 온도에서 섭씨 수 백도에 이르는 온도에서 기능할 수 있어야 한다. 온도에 따른 변형 효과로 인한 팽창 차이는 요소 및 하우징 사이에서 발생하고, 처리 요소가 1m 정도의 길이를 가질 때에 수 mm에 이를 수도 있다. 이 요소-하우징 연결부는 이러한 팽창 차이를 보상할 수 있도록 충분히 유연하여 변형될 수 있어야 한다.
몇몇 공지의 조립체에 있어서, 예컨대 PTFE, EPDM, 실리콘 등의 중합체 또는 탄성 중합체 가스켓에 의하여 요소-하우징의 연결이 달성될 수 있다. 이 경우, 요소와 하우징 사이의 팽창 차이를 보상하기 위하여 가스켓의 탄성이 사용될 수 있다.
이러한 해결책은 고온 사용에는 중합체 또는 탄성 중합체의 물리 화학적 및 기계적 특성 저하로 인하여 명백히 부적절하다. 더욱이 이 재료는 시간이 흐름에 따라 노쇠 또는 크리프(creep)된다.
요소의 단부에 위치하는 하나 또는 그 이상의 금속부 또는 링을 이용하여 요소(들)와 하우징을 연결시킨 모듈은 공지되어 있다. 각각의 부분들은 땜납(brazing) 또는 유리(또는 에나멜)에 의해서 금속 외피 및 처리 요소의 단부에 견고히 고정되어 있다. 이러한 해결책은 다음과 같은 주요한 문제들을 직면하게 된다.
첫째, 땜납은 통상 집적 회로를 에칭하기 위해 현재 사용되는 염화 수소, 염화물, 브롬화물 등과 같은 기체에 대해 양호한 내부식성을 제공하지 못한다.
둘째, 양호한 내부식성을 갖는 유리는 일반적으로 낮은 온도에서 용융되는 조성을 포함하고 있지 않다. 따라서 이 유리는 매우 고온에서 녹게 된다. 이런 유리에 의해 모듈을 조립하는 것은 이 모듈 조립체를 고온가지 상승시켜야 하고, 이는 처리 요소(필터 층, 촉매 등) 또는 금속 링에 손상을 줄 위험성 때문에 항상 가능하지는 않다.
또한, 유리와 하우징 또는 링의 금속간의 양호한 결합이 이루어지도록 통상 금속 표면을 먼저 산화시킬 필요가 있으며, 이는 예를 들어 반도체 제조의 적용시에 수반되는 초청결 상태와 맞지 않는다. 마지막으로, 이러한 유리에 의한 해결책은 큰 가열 수단을 수반하고 그 방법이 복잡하기 때문에 비용이 비싸다.
본 발명의 목적은 오염의 위험 없이 고온에서 사용할 수 있고 가해지는 열적, 기계적, 화학적 응력에 내력을 갖는 필터 모듈을 마련하는 것이다.
본 발명은 거의 원통형인 금속 외피 또는 하우징과, 세라믹, 탄소, 소결 유리 및 소결 금속으로부터 선택된 고밀도 또는 다공성 재료로 만들어지고 적어도 한 단부가 거의 원통형이고 그 중심축이 상기 외피의 중심축과 평행한 적어도 하나의 강성 처리 요소와, 일차적으로는 하우징에 고정되고 이차적으로는 상기 요소의 단부에 연결되는 탄성 변형 가능한 링의 형태인 적어도 하나의 금속부를 포함하는 기체 또는 액체를 여과, 분리, 정화시키거나 또는 촉매 변환시키기 위한 모듈에 있어서, 상기 링과 상기 요소의 단부 사이의 연결부가 열적 또는 기계적 후프 끼워 맞춤되고, 상기 링이 상기 단부에 후프 끼워 맞춤되거나 상기 단부가 후프 끼워 맞춤되는 것을 특징으로 하는 모듈을 마련하고 있다.
후프 끼워 맞춤은 후프 안의 일부분을 슬리빙(sleeving)시키는 것으로 구성되며, 후프의 내경은 후프될 부분의 외경보다 소위 수축이 허용될 양만큼 작다. 후프 끼워 맞춤 또는 수축 끼워 맞춤에 의해 이러한 연결 방법은 유기 또는 무기 결합제를 사용하지 않는 장점을 갖는다.
열 후프 끼워 맞춤은 가열에 의해 링을 팽창시킨 후에 링 안에 요소를 슬리빙시키는 것으로 구성된다. 기계적 후프 끼워 맞춤 또는 가압 끼워 맞춤은 프레스의 도움으로 링 안으로 요소를 냉간 가압시키는 것으로 구성된다.
링 안에 요소를 열 후프 끼워 맞춤시키는 장점은, 모듈의 사용 온도가 (예를들어 탄성력이 유지되는 온도인) 금속의 이완 온도 아래로, 그리고 (만일 존재한다면) 금속과 요소 단부의 열팽창이 열수축을 상쇄시키는 온도 아래로 유지되는 한 클램프력이 존재하는 것이다.
링은 요소의 거의 원통형인 표면상에 방사상 클램프력을 발생시킨다. 이러한 클램프력은 링과 요소 사이의 상대 이동이 불가능하도록 크다. 방사상 클램프력은 링과 처리 요소 사이의 접촉 영역의 폭을 변형시킴으로서 조정할 수 있으며, 접촉디(band)가 넓으면 넓을수록 링의 종방향 가요성을 변형시킴 없이 클램프력이 커진다.
링과 요소 사이의 연결부는 요소에 대한 링의 어떠한 이동도 허용하지 않는다. 실제로 임의의 마찰 운동(rubbing motion)은 입자들을 생성시킨다. 본 발명의 목적 중 하나는 특히 입자들의 생성에 의한 불순물이 유입되지 않고 초청결 유체의 처리를 위하여 모듈을 사용할 수 있기 위한 것이다.
변형예에서, 상기 요소와 링 사이의 연결부는 기계적 후프 끼워 맞춤 또는 모스 테이퍼의 가입 끼워 맞춤에 의해 이루어진다. (테이퍼진 양이 5% 이하인) 모스 테이퍼와 같이 그 단부가 약간 테피어진 작동 요소(active element)는 동일 형상으로 제작된 링에 연결된다.
상기 링은 양호하게는 탄성적으로 변형 가능하여 금속 벨로우즈와 같이 작동하도록 모듈의 종축에 대하여 평행하게 약간 변형될 수 있다. (세라믹, 유리, 탄소 등의) 기계적으로 취약한 특성의 재료로 처리 요소가 제조된 경우에, 벨로우즈 형태의 링을 장착하는 것은 링의 탄성에 의하여 하우징에 가해질 수 있는 충격으로부터 요소를 보호한다.
상기 링은 스테인레스 강, 페치니(PECHINEY)사의 TA6A형 티타늄 합금, 임피(IMPHY)사의 N42 또는 딜버(Dilver; P0 또는 P1)와 같은 니켈-기본 합금(nickel-rich alloy), 웨스팅하우스사의 코바(kovar), 또는 “하스텔로이(Hastelloy)”라는 상표로 공지된 합금으로부터 선택된 금속으로 제조된다. 이러한 합금은 팽창 계수, 고응력 이완 온도 및 내부식성 때문에 선택된다.
제1 실시예에 의하면, 상기 링의 외부 모서리를 상기 하우징의 벽 내에 가공된 시트 안에 끼워 맞춤시키고 상기 하우징의 내부 표면에는 용융된 금속이 노출됨이 없이 상기 하우징 벽의 두께부와 상기 링의 외부 모서리를 부분 용접시킴으로써 수행하는 용접에 의하여 상기 링이 상기 하우징에 고정된다.
링과 하우징의 일부분(들)은 티그(TIG; tungsten inert gas) 용접에 의해 조립된다. 텅스텐 전극과 용접될 부분의 조립체는 조립될 하우징에 대한 회전 운동에 의해 서로 이동되고, 이는 (5 내지 7mm의) 벽 두께에 대하여 (4mm 정도의) 용융 영역의 깊이를 제어할 수 있게 한다. (대략 0.5mm 정도의) 폭 넓은 용접 비이드(bead)가 얻어지게 된다.
제2 실시예에서, 상기 링의 외부 모서리를 상기 하우징 벽 내의 기계 가공된 시트에 끼워 맞춤하고, 상기 하우징의 내부 표면에는 용융된 금속이 노출됨이 없이 그리고 상기 링의 외부 모서리는 용융되지 않으나 용융된 영역의 수축에 의해 상기 모서리에 조임력(gripping)이 생기도록 상기 하우징 벽의 두께부를 부분 용융시킴으로써 수행되는 용접에 의해 상기 링이 하우징에 고정된다.
용접 수축에 의한 조임력은 기게적으로 견고하고 완전 불투과성인 하우징과 링 사이의 결합을 보장한다.
이러한 방법은 모듈을 조립하기 위하여 두개의 링이 있는 경우에는 두번의 용접만으로, 하나의 링이 있는 경우에는 한번의 용접만으로 충분하다는 장점을 갖는다.
본 발명에 의한 모듈의 장점은 연결부가 밀봉되도록 그 조립체가 설계된 것이다. 이는, 부품들의 치수에 관한 적은 공차에 의해 그리고 낮은 정도의 그 표면 조도에 의해 밀봉된 링과 하우징 사이의 연결부, 그리고 링과 요소(또는 그 선단) 사이의 연결부에 적용된다.
링과 하우징 사이의 결합은 링에 하우징을 롤링 또는 후프 끼워 맞춤시킴으로써 이루어진다.
변형예에서, 상기 요소의 단부들 중 적어도 한 단부는 상기 요소에 고정된 연결부품을 통해 상기 링에 연결되고, 상기 연결부품은 원통형 형상으로, 상기 연결부품의 기능에 따라 선택된 재료, 즉 다공성 재료 및 고밀도 재료로부터 제조된다.
연결 부품은 다음 경우에 필요하다.
- 요소가 중실 연결부품에 의해 완전히 폐쇄되거나 요소가 측면 벽을 통해 유체의 선택적인 유동 통로를 형성하기 위하여 부분적으로 폐쇄되었기 때문에 처리 요소의 단부가 모듈의 출구 개구와 직접 연통될 수 없고, 예를 들어 미세공 연결 부품을 사용하거나 관형 연결 부품에 의해 모듈의 외부 입구 또는 출구 개구들 중 하나와 내부 채널을 연결시키도록 요소의 내부 형상과 조화되도록 된 경우.
- 요소의 기계적 특성이 후프 끼워 맞춤에 부적절한 경우, 이에 따라 연결 부품은 후프 끼워 맞춤이 이루어지기에 충분한 기계적 강도를 갖는 처리 요소의 특성과 동일 또는 다른 특성의 고밀도 또는 다공성 재료로 형성된다.
- 요소의 외부 형상이 후프 끼워 맞춤 작업에 부적합한 경우, 이러한 경우는 연결 부품을 링의 형상과 대응하도록 원통형 또는 약간 테이퍼진 시트를 가져야 한다.
연결부품은 임의의 결합제를 사용하지 않는 연결 방법[예를 들어 열 후프 끼워 맞춤, 가압 끼워 맞춤, 롤링 인(rolling in) 등의 방법] 또는 고온에서 용융가능한 유리 또는 에나멜에 보조되는 연결 방법에 의하여 처리 요소에 고정된다. 이러한 경우에, 요소 지지부가 멤브레인 또는 예를 들어 촉매 재료로 피복되기 전에 요소와 연결 부품 사이의 연결부가 형성되기 때문에 요소에 손상을 주지 않고 유리의 사용이 가능하다. 고온 유리만이 오염의 위험없이 사용가능하고 모듈에 가해지는 열 응력, 기계적 응력 화학적 특성에 견딜 수 있는 특성을 갖는다.
양호한 실시예에 의하면, 상기 요소는 처리될 유체의 어떤 성분을 고착 또는 중화시키기 위하여 이와 화학적으로 반응할 수 있는 요소를 함유한다.
제1 실시예에서, 상기 모듈은 공수성(hydrophobic) 표면을 갖고 세공 평균 직경이 0.8㎛ 이하인 살균형 멤브레인을 갖는 다중 채널 처리 요소를 포함한다.
제2 실시예에서, 상기 모듈은 다공성 재료로 형성되고 상기 요소과 동일한 종류의 고밀도 재료로 만들어진 연결부품을 각 단부에서 지지하는 처리 요소를 포함하고, 상기 연결부품은 니켈 기본 합금들로부터 선택된 합금의 링에 후프 끼워 맞춤에 의해 연결되고, 상기 링은 내부가 전기 폴리싱(electro-polishing)된 스테인레스 강의 상기 하우징에 용접된다.
제3 실시예에 의하면, 상기 모듈은 그 벽이 촉매 재료로 피복된 고밀도 재료로 만들어진 벌집형 및 다중 채널형 중에서 선택된 처리 요소를 포함한다.
본 발명과 부합하는 모듈은, 열 사이클링을 하거나 하지 않고 넓은 온도 범위에 걸쳐, 특히(수백 ℃의) 고온에서 사용가능한 장점을 갖는다. 또한, 시간 경과에 따라 열화되는 유기 또는 무기 결합제를 사용하지 않고 사용 상태에 따라 열응력, 기게적 응력 또는 화학적 응력 효과로부터 자유로운 장점을 갖는다.
마지막으로, 본 발명에 의한 모듈의 다른 장점은, 그 내부면이 처리될 가스안에 함유될 수 있는 유기 재료, 수증기 또는 고형 미세 입자와 같은 문제의 불순물을 고착시켜 방출시킬 수 있는 재료에 구애되지 않는 것이다. 이러한 효과는 모듈에 아주 순수한 가스를 처리해야만 하는 적용예에 특히 효과적이다.
본 발명의 모듈은 전자 산업, 화학 산업, 제약 산업 및 식료품 산업 등 많은 분야에 적합하다.
본 발명의 다른 형태 및 장점은 첨부된 도면과 함께 본 발명을 제한하지 않는 한 예로서 주어진 하기 설명 및 실시예로부터 알 수 있을 것이다.
본 발명에 부합되게 강성의 요소를 갖는 필터 모듈이 제1도에 도시되어 있으며, 이것은 용접에 의해 조립되는 다수의 부품(1, 2, 3)으로 형성되는 원통형 하우징(13)과, 다공성 벽(18)에 의해 한정되는 내부 채널(16)을 구비하는 관형 처리 요소(4)와, 각각이 처리 요소의 연결부품(5, 8)에 후프 끼워 맞춤되고 이어서 하우징(13)에 용접됨으로써 본 발명에 부합되도록 견고하게 고정되는 2개의 금속부 또는 링(6, 7)을 포함하고 있다. 이 요소의 단부(14, 15)는 원통형 시트(9)를 갖는 연결부품(5, 8)을 구비하고 있다. 연결부품(5)은 중실이고 요소(4)의 내부 채널(16)을 밀폐시키며, 반면에 연결부품(8)은 내부 채널의 중심축상에 개구(17)를 갖고 있다. 상기 2개의 링 중 하나(6)는 유체를 통과시키는 개구(10)를 갖고 있다.
처리될 유체의 유입 및 배출은 채널(16)의 중심축상에 위치하고 상기 모듈의 각 단부에 있는 개구(11, 12)를 통하여 이루어진다.
이러한 형태의 모듈에 있어서, 처리될 유체의 통과는 처리 요소(4)의 외부 측면 표면으로부터 채널(16)의 내부 표면 쪽으로 이루어진다. 이 유체의 유동은 다음과 같은 방식으로 일어나게 된다. 유체는 모듈의 단부에서 개구(12)를 통하여 유입하고, 링(6)의 개구(10)를 통하여 통과하고, 요소(4)의 외부 측면 표면을 따라 유동하고, 요소(4)의 벽(18)을 통과하고, 내부 채널(16) 내에서 요소(4)의 단부(14)를 향해 유동하고, 개구(17)를 통과하고 이어서 모듈의 단부에 있는 개구(11)를 통하여 배출된다.
제2도는 제1도의 하우징-링-처리 요소 연결부의 확대도이다. 처리 요소(4)는 그 단부(15)에 연결부품(5)을 지지하는 중앙의 작동부(active part)를 포함하고 있다. 이 링(6)은 후프 끼워 맞춤에 의하여 연결부품(5) 상에서 원통형 시트(9)를 감싸고 있다. 이 링-하우징 접합부는 부품(2, 3)의 접합부인 하우징(13)의 측면표면에 위치하고 있다.
아래의 방식으로 링(6)을 하우징(13)에 고정시키는 것이 효과적이다(제3도 및 제4도를 참조). 링(6)의 외부 모서리(GEFH)가 용접 전의 부품을 도시하는 제3도와 같이 정확히 끼워 맞춤되는 방식으로 리세스(19)가 하우징(13)의 부품(2, 3) 내에서 기계 가공된다.
따라서, 제4도에 도시된 것처럼, 하우징(13)의 부품(2, 3)의 일정 두께를 용융시키고 링(6)의 외부 모서리(EF)를 용융시키는 방식으로 외부로부터 용접을 수행한다. 이 용융된 영역은 JMNK로 도시되고 있다.
용융 영역의 고형화는 링(6)의 모서리를 견고하게 조이는 수축이 이루어지도록 하고 이에 따라 두께(MN 또는 PQ)가 링(6)의 초기 두께(EF 또는 GH)보다 다소 작게 된다. 용접 수축에 의한 조임력은 기계적으로 견고하고 완전 불투과성인 하우징(13)과 링(6) 사이의 결합을 보장하게 된다.
용융된 금속의 자유 표면(20)이 용접 작업 중에 하우징(13)의 내부상에 나타나지 않는 이러한 방법으로 링-하우징 연결부가 이루어진다. 이 방법은 금속 입자가 이 작업 중에 발산되는 것과 포집된 입자의 궁극적인 발산을 방지하고 아울러 증발된 금속을 응축시킴으로써 이 작업 중에 용접 영역 주위의 표면 상태의 변형을 방지하는 장점을 갖는다. 최종적으로, 이 방법은 이 용융된 영역이 하우징(13)의 벽 두께부의 외부 부분에, 예를 들어 전체 벽 두께가 5 내지 7mm인 경우 대략 4mm로 제한되도록 한다.
하우징(13)의 내부 표면이 특별한 특성(전기 폴리싱, 표면 안정화, 크롬 피복 등)을 가져야만 하는 경우에, 용접 전의 부품상에서 이 공정들이 수행될 수 있다. 용접 후, 하우징(13)의 전체 내부 표면은 여전히 이 특성을 갖고 있으며, 반면에 이 링(6)을 포함하지 않는 다른 방법에 의하여 조립된 기존 모듈의 하우징은 내부 표면에 용융되고 재고형화된 금속의 띠(band)를 갖는다. 처리 요소(4)를 제외하면,이 모듈의 모든 내부 표면은 금속의 경우 강체 입자가 발산되지 않도록 폴리싱 및 전기 폴리싱 처리되거나 또는 부식을 방지하기 위하여 표면 안정화 처리되는 방법으로 이 모듈의 모든 다른 부품들이 만들어질 수 있다.
이 모듈의 한 실시예에서는, 하우징(13)은 내부가 전기 폴리싱된 316L 스테인레스 강으로 만들어진다. 단일 튜브형 처리 요소(4)는 2 내지 20cm의 길이인 가스 필터 형태이고, 세공의 평균 직경이 0.1㎛인 알루미늄 층(SCT의 Membralox P19-40)으로 피복된 세라믹(알루미나, Al2O3)으로 만들어지며, 양 단부가 각각 유리에 의해 결합된 고밀도 알루미나로 만들어진 연결부품(5, 8)을 구비하고 있다. 벨로우즈 형태인 링(6, 7)의 각각은 니켈 41%와 철 59%로 이루어진 합금[임피(IMPHY) 회사의 N42]으로 만들어지고 제2도에 도시된 변형예에 부합되도록 하우징(13)에 용접된다.
주요 특성은 다음과 같다.
* 세라믹제 연결부품의 원통형 시트의 외경 : 22.084 ± 0.002mm
* 알루미나의 팽창 계수 : 7.0 x 10-6/℃
* 원통형 시트의 표면에 있는 세라믹의 표면 조도 : Ra = 1.1 내지 1.3㎛ (Ra는 거칠기 간격의 산술 평균)
* 원통형 시트의 폭 : 3mm
* 알루미나제 연결부품의 조립체의 온도 : 20℃
* N42제 링의 원통형 시트의 조립전 냉간 내경 : 22.050 ± 0.003mm
* N42제 링의 조립시 열간 내경 : 22.090mm
* 링의 원통형 시트의 표면 조도 : Ra = 1.75㎛
* 합금 N42의 팽창 계수 : 5 x 10-6/℃
* 합금 N42 내에서의 응력 이완 온도 : 500℃ 이상
* 링 조립체 온도 : 350℃
* 모듈의 작동 온도 : 대략 450℃
* 하우징의 원통부의 내경 : 43mm
* 하우징의 원통부의 외경 : 53mm
* 용접전 링의 외경 : 44.6mm
하우징(13)의 부품(2, 3)과 링(6)은 제3도에 도시된 것처럼 용접하기 위하여 GE = HF = 0.8mm 및 EF = GH = 0.45mm의 관계를 갖도록 조립된다. (제4도에서 처럼) 용접 후 이 값들은 PM = QN = 0.6mm 및 MN = PQ = 0.37mm가 된다.
이 모듈은 평가 시험을 받아야 하고, 그 결과는 다음과 같다.
* 20℃에서 링과 연결부품을 분리시키는 힘 : 3700 N
* 공기 누설 시험 : 20℃와 400℃의 사이의 50 사이클인 열 사이클을 모듈에 가했을 때 하우징의 내부의 진공은 열 사이클 전에 5 x 10-6atm·㎤/sec이고 열 사이클 후에 6 x 10-7atm·㎤/sec이다.
이때, 열 사이클 전·후의 누설치들의 차이는 중요하지 않다.
* 입자 잔류량 시험 : 측정은 [티사(TISA)사의 CNC형 3022로] 응축 영역에서 입자의 수를 계수함으로써 수행하였다. 필터 내의 공기 유동이 9㎤/sec로 5분 동안의 시험 중 0.01㎛ 이상의 입자는 통과하지 않았다.
제1도에 도시된 것과 같은 본 발명에 의한 모듈은 다음과 같은 경우에 효과적으로 사용될 수 있다.
- 기체, 특히 부식성 기체용 필터 또는 반도체, 특히 집적 회로의 제작에 사용되는 액체용 필터.
- 기체 또는 액체용 정하기.
- 수 m 단위의 길이를 갖는 다수 요소로 구성된 대용량의 기체 분리기, 정화기 또는 필터.
- 발효 용기 내의 액체 위의 기체와 외부 대기 사이가 미생물에 대하여 밀봉되는 연통이 가능하도록 하는 발효 환기. 이 경우에, 작동요소는 다중 채널형이고 멤브레인은 살균형이어햐 함(세공의 평균 직경 ≤ 0.8㎛). 응축된 수증기가 기체 유동을 차단하지 않도록 되도록 공수성 표면을 가져야 함.
- 세공 내에 보유되어 세공을 통하여 지나가는 기체 또는 액체를 처리하도록 고안되고 특히 기체 또는 액체를 정화하기 위한 화학제 또는 촉매와 반응하는 화학 매체 또는 촉매를 보유하고 있는 다공성 장치.
이 필터 또는 다공성 요소는 성긴(coarsely) 다공성 지지부와 하나 이상의 미세 다공 층으로 구성된 멤브레인 형태일 수 있다.
제5도는 하우징-링 연결부의 다른 변형예를 도시하고 있다. 이 용접은 링(6)의 외부 모서리(EF)의 어느 부분도 용융됨이 없이 하우징(13)의 부품(2, 3)의 일부분 두께만이 용융되는 방법으로 외부로부터 영향을 받고, 이때 용융된 영역은 JKL로 표시되어 있다. 이 링은 시트(19)를 꽉 끼게하는 용융된 영역의 수축으로 인한 조임력(griping)에 의해 유지된다.
제6도 및 제7도에 링-하우징 연결부의 위치에 대한 변형예가 도시되어 있다.
제1 변형예에 있어서, 링(66)은 모듈의 단부이며 부품(62, 63)의 접합부인 하우징(613)의 종측면 표면에 용접되어 있다(제6도 참조).
제2 변형예에 있어서, 링(76)은 부품(72, 73)의 접합부인 하우징(713)의 종측면 및 횡측면의 교차 위치에 용접되어 있다(제7도 참조).
제8도는, 벽(818)에 의해 한정되는 내부 채널(816)을 구비하는 처리 요소(84)와 각각의 링(87, 86)에 연결된 각각의 단부(815, 815)를 포함하고 있는 모듈을 도시하고 있다. 링(86, 87)의 후프 끼워 맞춤은 처리 요소(84)의 원통형 시트(89)상에서 직접 수행된다. 이 링(86, 87)은 모듈의 중심축상의 입구 개구(811) 및 출구 개구(812)의 영역에 있는 하우징(813)의 종측면 표면에서 용접된다. 더욱이, 이 하우징(813)은 횡측면에 위치한 제2 출구 개구(800)를 포함하고 있다.
이러한 형태의 모듈은 교차 유동 여과 원리에 부합되게 작동한다. 이 유체는 제8도에 화살표로 도시된 경로를 따른다. 처리될 유체는 요소(84)의 단부(814)와 연통되어 있는 개구(811)를 통하여 모듈 내로 유입되고 표면이 피복되어 있거나 분리 멤브레인으로 둘러싸인 내부 채널(816)을 통과한다. 따라서 2개의 흐름으로 이 유체가 분리된다. 이 유체의 일부는 요소(84)의 내부 채널(816)의 내부 표면 위를 교차 유동하고, 멤브레인에서 교환된 후 요소(84)의 벽(818)을 통하여 유동하고, 요소(84)의 외부 측면 표면을 따라 유동하고 하우징(813)의 벽에 있는 개구(800)를 통해 배출되는 경로를 따른다. 이 유체의 다른 일부는 요소(84)의 외부 단부(815)를 향해 유동하고 개구(812)를 통하여 모듈을 빠져나오게 된다.
처리 요소(84)는 (세공의 평균 직경이 1nm인) 미소 다공성 멤브레인으로 피복되고 다공성 탄소로 된 원통형 형태이다. 이것의 단부(814, 815)는 유리질 탄소(vitrified carbon)로 피복되어 있고, 후프 끼워 맞춤에 의하여 링(87, 86)에 각각 연결되어 있다. 벨로우즈 형태인 링(86, 87)은 6% 알루미늄과 4% 바나듐을 갖는 페치니(PECHINEY)사의 TA6V형 티타늄 합금제이다. 이 재료는 열-기계적 특성과 염화 나트륨을 함유하지 않는 매체 내에서의 양호한 내부식성으로 인하여 선택되었다. 하우징(813)도 링과 동일한 조성을 갖고, 그럼으로써 부식 문제를 극복하고 용접에 의한 하우징과 링의 조립을 용이하게 한다.
각 링 및 요소의 주요 특성은 다음과 같다.
* 20℃에서 요소의 원통형 유리질 탄소 시트의 외경 : 32.000 ± 0.003mm
* 탄소의 팽창 계수 : 5.0 x 10-6/℃
* 마무리된 원통형 유리질 탄소 시트의 표면 조도 : Ra = 0.2㎛
* 원통형 유리질 탄소 시트의 폭 : 4mm
* 유리질 탄소 단부 조립체의 온도 : 20℃
* 20℃에서 TA6V 링의 원통형 시트의 내경 : 31.930 ± 0.003mm
* 조립전 링의 원통형 시트의 표면 조도 : Ra = 0.5㎛
* 합금 TA6V의 팽창 계수 : 1.0 x 10-5/℃
* 탄성 한계치 900 MPa
* 응력 이완 온도 : 730℃
* 링 조립체 온도 : 270℃
이 조인트부의 주요 특성은 다음과 같다.
* 하우징-링 조인트부를 20℃에서 분리시키는 힘 : 5000 N 이상
* 최대 사용 온도 : 400℃, 단 이 온도 이상에서의 조임력은 요구되는 밀봉 기능 및 기계적 강도를 달성하기에 불충분하게 됨.
멤브레인의 소결 온도(sintering temperature)에 비해 상대적으로 낮은 온도에서 수행되는 후프 맞물림에 의한 연결 방식은 (처리) 요소에 피복되는 층(layer)이나 멤브레인에 어떠한 수정도 가할 필요가 없다는 장점이 있다. 용융 금속의 스퍼터링과 같은 방법이 사용될 때, 화염에 의한 열전달 때문에 슈프 금속(schoop metal) 또는 세라믹 분무형의 이러한 변형예를 제조할 수 있다.
이러한 형태의 모듈에 있어서, 기체와 액체를 분리시키기 위한 멤브레인형 분리기를 이용하는 것이 가능하다. 교차 유동 여과 원리를 따름으로써, 이 모듈은 초임계 온도 및 압력 영역(대략 230℃ 및 25bar)에서 연료 및 연료의 잉여물로부터 무거운 아스팔트를 추출하는데 특히 유용하다. 이 모듈은 0.2㎛ 멤브레인으로 피복된 요소에 의한 교차 유동 여과 원리에 의하여 분해된 촉매(cracking catalyst)를 재생하는데에도 동일하게 사용될 수 있다. 이 때의 작동 온도 및 압력은 전술한 경우의 것들보다 실질적으로 크다.
제9도에는 처리 요소(94)의 단부(915)에 위치하는 원통형 시트(99)상에 후프 끼워 맞춤 링(96)에 의하여 조립된 하우징-링-요소 연결부의 변형예가 도시되어 있다. 이 링(96)은 모듈의 중심축상의 개구(912)의 영역에서 하우징(913)의 종측 표면을 형성하는 부분(92) 상에 용접되어 있다.
링(96)이 개구(912)의 영역의 종측 표면에서 하우징(913)에 연결되는 제9도에 도시된 연결부의 다른 변형에에 있어서, 요소의 단부에 의해 지지되는 연결부품상에 후프 끼워 맞춤되고 하우징 내의 종측 분할부(transverse partition)로서 작용하는 구멍난 판 내로 용접 및 압연된 링에 의하여 하우징과 몇몇의 처리 요소가 조립된다. 이 조인트부는 미터(m) 단위의 길이를 갖는 다수의 요소를 포함하는 대형의 기체 분리기, 정화기 또는 필터에 적용가능하다.
제10도에는, 다공성 벽(118)을 구비한 관형 요소(104)를 포함하는 기체 정화기가 도시되어 있고, 이 정화기의 내부 채널(116)은 기체 내의 불순물을 부착(fix)시키고 중화시키기 위하여 불순물과 화학적으로 반응하는 화합물(100)을 보유하고 있다. 요소(104)의 각 단부(114, 115)는 하스텔로이(Hastelloy) C22 벨로우즈 형태인 시트 링(107, 106)이 후프 끼워 맞춤되는 원통형 시트(109)를 포함하고 있다. 이 링(107)은 기체 통로로서 개구(119)를 갖는다. 이 링(106, 107)은 링과 동일한 재료인 C22 재료로 만들어진 하우징(113)에 용접된다. 기체 통로용으로 입구 개구(112)와 출구 개구(111)가 모듈의 중심축상에 구비된다. 모듈 내의 기체 유동은 화살표로 도시되어 있다.
본 발명에 의한 모듈의 개념이 변형된 예에 있어서, 처리될 기체는 개구(112)를 통하여 모듈 내로 유입되고, 요소(104)의 내부 채널(116) 내에 있는 반응 재료(100)를 거쳐서, 요소(104)의 다공성 벽(118)을 지나고, 그리고 나서 개구(119)를 통해 링(107)을 지나자마자 또는 지난 후 개구(111)를 통해 모듈을 빠져나간다.
각 링 및 요소의 주요 특성은 다음과 같다.
* 요소 세공의 평균 직경 : 12㎛
* 요소의 원통형 시트의 외경 : 32.000 ± 0.003mm
* 알루미나의 팽창 계수 : 7.0 x 10-6/℃
* 원통형 시트의 표면 조도 : Ra = 0.8㎛
* 원통형 시트의 폭 : 5mm
* 세라믹 요소의 조립 온도 : 20℃
* 20℃에서 하스텔로이(Hastelloy) C22 링의 내경 : 31.910 ± 0.003mm
* 조립전 링의 원통형 시트의 표면 조도 : Ra = 0.4㎛
* C22의 팽창 계수 : 1.4 x 10-5/℃
* 링의 조립 온도 : 250℃
* 조임력에 의한 응력이 불충분하게 되는 사용 상한 온도 : 350℃
상이한 개념의 기체 정화기가 제11도에 도시되어 있다. 반응 화합물(500)은 다공성 요소(504)의 외부에 있고, 이 다공성 요소는 다공성 벽(518)과 내부 채널(516)을 갖는 중공 원통의 형태이다. 요소(504)의 각 단부(514, 515)는 각각의 연결 부품(508, 505)과 끼워 맞춤되어 있다. 연결 부품(505)은 채널(516)의 마개로서 기능하고, 반면에 연결 부품(508)은 모듈의 중심축상에서 출구 개구(511)와 채널(516)을 연통시키는 개구(517)를 갖는다. 모듈의 입구는 출구 개구(511)의 다른 단부측에서 모듈의 중심축 상에 있는 개구(512)가 된다. 단부(505, 508)의 각각은 링(506, 507)의 각각이 후프 끼워 맞춤되는 원통형 시트(509)를 갖는다. 링(506)은 기체가 통과할 수 있는 개구를 갖는다. 이 링(506, 507)은 또한 각각 부품(52, 53) 사이와 부품(51, 53) 사이의 연결부에서 하우징(513)의 종측 표면에 용접되어 있다.
이 경우에, 처리될 기계는 모듈의 개구(512)로 유입되고, 개구(510)를 통하여 링(506)을 통과하고, 처리 요소(504)와 하우징(513)을 분리시키는 공간(50) 내의 반응 매체(500)를 거치고, 요소(504)의 다공성 벽(518)을 통과하고, 요소(504)의 내부 채널(516)로 유입하여, 모듈의 출구 개구(511)와 연통하는 연결 부품(508)의 개구(517)를 통해 유출된다.
처리 요소(504)는 다공성 세라믹제이고, 연결 부품(505, 508)은 고밀도 세라믹제이고, 링(506, 507)은 하스텔로이 C22제이다. 하우징(513)은 링(506, 507)과 동일한 재료로 만들어진다. 또한 이 모듈은, 백금으로 덮여진 알루미나 입자로 형성되고 요소(504)와 하우징(513) 사이의 공간(50)에 배치된 반응 물질(500)을 포함하고 있다.
각 링과 요소의 주요 특성은 다음과 같다.
* 20℃에서 요소의 원통형 시트의 외경 : 20.000 ± 0.003mm
* 알루미나의 팽창 계수 : 7.0 x 10-6/℃
* 세라믹제 원통형 시트의 표면 조도 : Ra = 0.15㎛
* 원통형 시트의 폭 : 5mm
* 세라믹제 연결부의 조립 온도 : 20℃
* 20℃에서 링의 원통형 시트의 내경 : 19.940 ± 0.003mm
* 조립전 링의 원통형 시트의 표면 조도 : Ra = 0.25㎛
* C22의 팽창 계수 : 1.4 x 10-5/℃
* 원통형 시트의 폭 : 5mm
* 링의 조립 온도 : 250℃
조인트부의 주요 특성은 다음과 같다.
* 20℃에서 연결부와 링의 결합을 분리시키는 힘 : 5000 N 이상
* 조임력으로 인한 응력이 불충분하게되는 사용 상한 온도 : 350℃
촉매 베드(catalyst bed)를 보유하기 위해 다공성 멤브레인을 사용하는 이러한 분리 모듈은 변환 정도가 100%에 이르는 온도인 260℃ 근처에서 수행되는 벤젠의 수소화와 같은 기체의 촉매 반응에 사용될 수 있다.
제12(a)도 및 제12(b)도는 한 단부(214)가 연결부품(28)을 지지하는 요소(24)의 경우에 있어서의 링-요소 연결부의 확대된 도면을 도시하고 있다.
제12(a)도에는, 요소(24)는 2개의 링(26, 27)에 연결되고, 한 링(26)은 요소(24)의 단부(215) 상에 직접 후프 끼워 맞춤되고 반면에 다른 링(27)은 요소(24)의 단부(214)에 의해 지지되는 연결부품(28) 상에 후프 끼워 맞춤되어 있다.
제12(b)도에는, 단일 링(26)이 요소(24)의 단부(215) 상에 직접 후프 끼워 맞춤되어 있다.
제13(a)도 및 제13(b)도는 2가지 변형예에 따른, 역 후프 끼워 맞춤에 의한 링-요소 연결부의 형태를 도시하고 있다.
제13(a)도에는, 요소(34)의 각 단부(314, 315)에 위치한 연결부품(35, 38)이 각각의 링(36, 37)에 배치된 원통형 시트상에 후프 끼워 맞춤되어 있다. 소위 역 후프 끼워 맞춤에 있어서, 링(36, 37)의 일부는 여기서 연결부품(35, 38)으로 표현된 후프 내로 삽통된다. 또한 링(36, 37)은 요소의 중심축에 대해 수직 방향을 고정되어 있다.
제13(b)도는 원통형 시트(39)를 구비한 연결부(35, 38) 내의 2개의 링(336, 337)이 역 후프 끼워 맞춤부를 도시하고 있고, 링은 요소(34)의 단부(314, 315) 측에 위치하고 있다. 이 링(336, 337)은 요소의 중심축에 대해 평행한 방향으로는 고정되어 있다.
제14도는 내부 채널(416) 및 다공성 벽(418)을 갖는 관형 처리 요소(44)를 포함하는 모듈을 도시하고 있고, 다소 테이퍼진 형태의 링(46, 47)에 기계적으로 후프 끼워 맞춤되어 부착된다. 링(46)은 유체를 통과시키는 (410)을 갖고 있다. 요소(44)의 단부(414, 415)는 각각이 연결부품(45, 48)의 각각에 끼워져 있고, 통로는 링(46, 47)과 동일한 형상이 된다. 연결부품(45)은 요소(44)의 내부 채널(416)의 마개로서 기능하고, 반면에 연결부품(48)은 모듈의 출구 개구(411)와 내부 채널(416)을 연통시키는 개구(417)를 구비하고 있다. 링(46, 47)의 테이퍼진 시트(409) 상에 연결부품(45, 48)을 후프 끼워 맞춤시키는 것은 대략 1.5도의 반원추각도를 갖는 모스(Morse) 테이퍼 형태인 2개의 테이퍼를 끼워 맞춤함으로써 실행된다. 또한 이 링(45, 48)은 모듈의 중심축 상에 위치한 입구 개구(412)와 출구 개구(411)의 영역에서 하우징(413)에 용접된다.
화살표로 표시된 유동을 따르는 이 유체는 개구(412)로 유입되고, 개구(410)를 통하여 링(46)을 지나고, 요소(44)의 외부 횡측 표면을 따라 유동하고, 내부 채널(416)을 따르면서 벽(418)을 지나고 단부(414)을 향하고, 결국 연결부품(48)의 개구(417)을 통하여 빠져 나와 모듈의 다른 단부에 있는 개구(411)를 통해 유출된다.
본 발명은 설명되고 도시된 실시예에 의해 제한되지 않음은 명백하고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 한 본 기술 분야에 숙련자에 의해 가능한 다양한 변형예에도 미칠 수 있다.

Claims (13)

  1. 거의 원통형인 금속 외피(13) 또는 하우징과, 세라믹, 탄소, 소결 유리 및 소결 금속으로부터 선택된 고밀도 또는 다공성 재료로 만들어지고 적어도 한 단부(5)가 거의 원통형이며 그 중심축이 상기 외피(13)의 중심축과 평행한 적어도 하나의 강성의 처리 요소(4)와, 일차적으로는 하우징(13)에 고정되고 이차적으로는 상기 요소(4)의 단부(5)에 연결되는 탄성 변형 가능한 링(6)의 형태인 적어도 하나의 금속부를 포함하는, 기체 또는 액체를 여과, 분리, 정화시키거나 또는 촉매 변환시키기 위한 모듈에 있어서, 상기 링(6)과 상기 처리 요소(4)의 상기 단부(5) 사이의 연결부가 열적 또는 기계적 후프 끼워 맞춤되고, 상기 링(6)이 상기 단부(5)에 후프 끼워 맞춤되거나 상기 단부가 상기 링에 후프 끼워 맞춤되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 링의 외부 모서리가 상기 하우징 벽 내의 기계 가공된 시트에 끼워 맞춤되고, 상기 하우징의 내부 표면에는 용융된 금속의 영역이 노출됨이 없이 상기 하우징 벽과 상기 링의 외부 모서리의 소정의 두께만큼을 부분 용융시킴으로써 수행되는 용접에 의하여 상기 링이 상기 하우징에 고정되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 링의 외부 모서리가 상기 하우징 벽 내의 기계 가공된 시트에 끼워 맞춤되고, 상기 하우징의 내부 표면에는 용융된 금속의 영역이 노출됨이 없이 그리고 상기 링의 외부 모서리는 용융되지 않으나 용융된 영역의 수축으로 인하여 상기 모서리에 조임력이 생기도록 상기 하우징 벽의 소정의 두께만큼을 부분적으로 용융시킴으로써 수행되는 용접에 의하여 상기 링이 상기 하우징에 고정되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  4. 상기 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 링이 상기 처리 요소의 거의 원통형인 표면상에 반경방향의 클램프력을 작용시키고, 상기 클램프력의 크기가 상기 표면의 폭에 관계되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  5. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 링과 상기 처리 요소를 연결시킴으로써 상기 링이 상기 처리 요소에 대해 이동하지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 모듈.
  6. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 요소의 단부중의 적어도 하나가 상기 처리 요소에 고정된 연결부품을 통해 상기 링에 연결되고, 상기 연결부품이 원통형인 것을 특징으로 하는 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 연결부품이 고온에서 용융될 수 있는 유리에 의해서 상기 처리 요소에 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  8. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 링과 상기 처리 요소가 모스(Morse) 테이퍼를 이용한 기계적 후프 끼워 맞춤에 의해 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 모듈.
  9. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 링이 스테인레스 강, 티타늄 합금, 니켈계 합금(nickel-rich alloy) 및 등록 상표 “하스텔로이(HASTELLOY)”로 알려진 합금 중에서 선택된 재료로 만들어지는 것을 특징으로 하는 모듈.
  10. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 요소가 처리될 유체의 어떤 성분과 화학적으로 반응할 수 있는 요소를 함유하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  11. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 공수성(hydrophobic) 표면을 갖고 세공 직경이 0.8㎛ 이하인 살균형 멤브레인을 갖는 다중 채널 처리 요소를 구비하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  12. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 다공성 재료로 형성되고 상기 처리 요소와 동일한 고밀도 재료로 제조된 연결부를 각 단부에서 지지하는 처리 요소를 포함하며, 상기 연결부는 니켈계 합금으로 제조된 링에 후프 끼워 맞춤에 의해 연결되고, 상기 링은 내부가 전기 폴리싱된 스테인레스 강으로 제조된 상기 하우징에 용접되는 것을 특징으로 하는 모듈.
  13. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 그 벽이 촉매 재료로 피복된 고밀도 재료로 만들어진 벌집형 및 다중 채널형 중에서 선택된 처리 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
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