缠绕-褶式过滤器及相关方法与流程

以下描述涉及缠绕-褶式过滤器及制备及使用这些过滤器的方法。

背景技术：

1、过滤器在工业中用于从流体移除非所要物质。使用过滤器处理的流体的实例包含空气、饮用水、液体工业溶剂及处理流体、用于制造或处理(例如，在半导体制造中)的工业气体及具有医疗或药物用途的液体。

2、不同类型的过滤器经设计用于处理不同流体。一些过滤器从气体或液体流移除大量大(在相对意义上)材料，例如来自空气的灰尘颗粒，或来自生物流体的细菌或细胞材料。其它过滤器用于移除几乎检测不到的亚微观非固体物质，例如悬浮或溶解于气体或液体中的化学分子(例如，碳氢化合物或金属原子或离子)。从这些类型的流体移除的杂质及污染物包含以百万分的几或更少量包含于流体中的微米级或纳米级的溶解或悬浮分子。此类型的过滤应用的一个实例是净化在微电子及半导体加工中有用的液体溶剂溶液。

3、常见过滤器设计含有多孔过滤元件，其允许流体流自由通过元件，但还保留流体中含有的杂质或颗粒以从流体移除那些杂质或颗粒。在本文中，从流体流“移除”杂质或颗粒指的是减少流体流中存在的杂质或颗粒的总量，但并不一定从流体流移除全部杂质或颗粒的过程。

4、用于不同流体应用的过滤材料(有时称为“过滤元件”)可选自各种有用材料，例如：多孔聚合物膜(膜)；由有机或合成纤维、开孔泡沫片、吸附材料(颗粒)、液体等制成的薄纤维、纺织及非纺织片。

5、流体通过过滤材料，且流体中非所要材料(称为“杂质”)保留在过滤材料中。一种称为“筛分”机制的过滤机制，当液体通过过滤材料时，液体及小于过滤材料的孔的任何杂质将通过过滤元件，而具有大于孔的大小的杂质将由过滤器保留且与流体分离。一种称为“非筛分”机制的不同过滤机制，杂质不通过物理分离(筛分)移除，而是通过静电或化学相互作用吸附到过滤材料的表面。杂质(例如溶解(在液体中)或悬浮(在气体中)化学分子(例如碳氢化合物、金属或金属离子))可经化学或静电吸附到过滤媒体的材料，且可由过滤材料保留。

6、过滤器产品可为“闭端”型过滤器，或“旁绕”或“再循环”型过滤器。闭端过滤器包含容纳于外壳中的过滤元件；进入外壳的流体必须通过过滤元件作为滤液流出外壳。旁绕过滤器设计还包含含于外壳中的过滤元件，但不同的是，流入外壳的流体可通过膜接着作为滤液离开外壳，或作为旁绕流通过外壳而不通过膜(“浓缩物”或“滞留物”)。过滤器外壳包含入口、滤液用的出口及旁绕流体流用的出口。旁绕流可通过相同过滤器外壳及过滤器元件再循环，或可通过单独过滤器外壳中的单独过滤器元件。

7、用于处理许多流体的标准过滤器是“褶式圆筒过滤器”设计。褶式圆筒过滤型产品包含圆筒形外壳，所述外壳适于在外壳的入口与外壳的出口之间的流动路径中容纳褶式过滤元件。过滤器通常是闭端型过滤器，其要求在入口处进入外壳的流体在出口处离开外壳之前通过褶式过滤元件。褶式过滤元件具有圆柱形构形，具有由沿圆柱形过滤元件的长度及中心轴线延伸的纵向折叠形成的折叠褶。圆柱形折叠过滤元件可包含圆柱形外支撑件(例如“笼”)、圆柱形内支撑件(“核心”)及沿圆筒的中心及中心轴线的开放内部空间或通道，即，开放圆柱形内部空间。当流过滤筒时，液体在通过过滤元件之前或之后流过内部通道。

8、当设计用于工业用途的过滤器时，特别是用于半导体或微电子装置制造的洁净室时，过滤器设计可强调单位体积过滤器的大量过滤器元件面积。几十年来一直是这些过滤应用的标准过滤器类型的褶式圆筒过滤器设计已发展及改进到几乎没有额外改进空间的程度。过滤器膜已做得越来越薄，且通过减小膜厚度来增加每单位过滤器体积的膜面积的能力已接近或达到极限。通过移除支撑层或减少支撑层的厚度来增加每单位过滤器体积的膜面积的能力也已接近或达到极限。

技术实现思路

1、本说明书涉及新颖及创造性的缠绕-褶式过滤器、制造缠绕-褶式过滤器的方法及使用缠绕-褶式过滤器的方法，例如从过程流体移除微量杂质。

2、缠绕-褶式过滤器产品通常不用于工业中，且据申请人了解，其未用于从液体及气体移除具有小于100纳米的粒径的微量杂质。

3、申请人已识别特定类型的新颖及创新的缠绕-褶式过滤器设计，其可有效用于过滤含有微量杂质的高纯度液体及气体流体，特别是用于处理高纯度半导体及微电子装置中使用的液体及气体(有时称为“过程流体”)。

4、一种缠绕-褶式过滤器包含由多层过滤器膜组合件制成的圆柱形过滤器结构，其包含两个或多个过滤器膜层，且沿所述组合件的长度绕中心纵轴缠绕。所述组合件的每一过滤器膜层具有沿所述膜层的所述长度延伸的第一及第二端。作为所述缠绕组合件的部分，所述膜层的所述纵向端是位于所述缠绕-褶式过滤器的第一过滤器端的第一缠绕褶及位于所述缠绕-褶式过滤器的第二过滤器端的第二缠绕褶的部分。所述缠绕-褶式过滤器可含于包含外壳入口及外壳出口的过滤器外壳中，其配置要求流入外壳入口的流体在通过通过外壳出口离开外壳之前流过过滤器膜层。

5、呈缠绕-褶式过滤器的形式，多层过滤器膜组合件形成多个绕组，其中一个“绕组”指的是所述组合件的所述总长度的部分，其围绕所述中心轴线缠绕一周。所述缠绕-褶式过滤器的每一层交替地连接到两个相邻层的每一层，作为一个相邻层的所述入口端处的入口褶的部分及作为所述第二相邻层的所述出口端处的出口褶的部分。两个“相邻”层可为所述多层过滤器组合件的一个绕组的部分，或，相邻于另一膜层的膜层可为位于所述绕组的内部(更靠近所述绕组中心)或所述绕组的外部(更远离所述绕组中心)的不同绕组的部分。依“交替”方式形成褶的膜层端是所述缠绕-褶式过滤器的过滤器膜层，所述过滤器膜层具有与第一相邻过滤器膜层的第一端(例如，“入口”或“前”端)形成褶的第一端(例如，“入口”或“前”端)，及与第二即不同相邻过滤器膜层的第二端(例如“出口”或“后”端)形成褶的第二端(例如“出口”或“后”端)。

6、优选的缠绕-褶式过滤器可包含单位体积过滤器的大量过滤器膜面积。如所描述的缠绕-褶式过滤器可具有为标准褶式圆筒过滤器设计的单位过滤体积过滤器膜面积的数倍，例如，与商用褶式圆筒过滤器设计(过滤器膜及间隔件层具有相同厚度)相比，单位体积过滤器膜面积的两倍、四倍或五倍或更多倍。

7、作为额外优点，如所描述的有用或优选的缠绕-褶式过滤器可在过滤器产品结构中含有显著减少的支撑层，意味着减少量的非过滤器层，即不用于移除杂质的层。典型地，标准褶式圆筒过滤器设计可包含每个过滤器膜层两个支撑层：一个非过滤支撑层位于所述过滤器膜层的入口侧上，且一个非过滤支撑层位于所述过滤器膜层的出口侧上。如所描述的缠绕-褶式过滤器设计可包含且可需要每个过滤器层更少的支撑层，例如，每个过滤器膜层一个支撑层(间隔件层)。即，一个支撑层可作为所述上游侧上的两个单独膜层的支撑，或一个支撑层可作为所述下游侧上的两个单独膜层的支撑。在常规圆柱形褶式过滤器中，由于所述组装过程的性质，至少两层支撑件位于入口或出口侧上的相邻膜层之间。根据如本文中所描述的实例缠绕-褶式过滤器设计，在所述过滤器的入口或出口侧上的相邻膜层之间仅存在一层支撑。

8、实例缠绕-褶式过滤器可用于从已为高纯度的液体移除少量杂质(例如，“微量杂质”)的应用。从流体“移除”杂质意味着从所述流体移除杂质的至少一部分，即，减少存在于所述流体中的所述杂质的量，同时可不从所述流体移除所有杂质。

9、杂质，还称为“污染物”，可为流体(例如，过程流体)中含量极低的化学材料，例如，浓度在百万分之一或十亿分之一范围内，或更低。可使用如所描述的卷褶式过滤器过滤或净化的实例过程流体包含已经处理及净化以移除一定量杂质的过程流体，但所述过程流体仍含有非常少量的残留杂质，其仅以“微量”存在。术语“百万分率”及「十亿分率”依与这些术语在化学领域(包含制造微电子及半导体装置的领域)的使用一致的方式使用。在此方面，百万分率(ppm)通常用作流体(气体或液体)中污染物的少量水平(浓度)的无量纲度量，表示为每升流体污染物的毫克数(mg/l)，且测量每体积流体污染物的质量。百万分之一等于0.000001个单位。

10、过程流体中的杂质是不同于所述过程流体的化学材料，其溶解在液态过程流体中或悬浮在气态过程流体中。化学描述的实例包含可为不带电或带电(离子)分子及低聚物的烃分子，及无机化合物，例如金属氧化物(二氧化钛)、金属原子、金属离子等。

11、基于大小，过程流体中的微量杂质可具有小于100纳米、小于90、50、25、10、5或1纳米的大小(最大尺寸)。这些大小的颗粒如果存在于用于处理半导体或微电子装置的过程流体中那么可在所述装置上产生缺陷并降低制程产量。

12、过程流体中最初存在的微量杂质的量小于百万分的100、10或1，或小于十亿分之100、10或1。通过使所述过程流体通过如所描述的缠绕-褶式过滤器，所述微量杂质的浓度可降低至少20、50、70或80％，即所述过滤器将从所述过程流体移除至少20、50、70或80％的微量杂质。

13、当用于从过程流体移除这些类型的微量杂质时，如所描述的卷褶式过滤器可具有延长使用寿命，以通过所述过滤器的流体体积测量，为数千升，例如，1,000，5,000或10,000升。当在此范围内的使用寿命内从流体移除微量杂质时，积聚在所述过滤器内的微量杂质量可占过滤器膜的所述总可用表面积的小于2％或小于1％。

14、与常规褶式圆筒过滤器设计相比，卷褶式过滤器可具有相对优势，其允许产生更高效过滤器，单位体积的所述过滤器具有更大量的过滤器膜。本说明书的卷褶式过滤器可制备成每个过滤器膜层仅需要一个间隔件层，而所述标准褶式圆筒过滤器设计固有地每个过滤器膜层包含两个间隔件层。所描述的卷褶式设计还允许消除需要存在于褶式圆筒设计的中心轴线及核心处的开放通道类型。代替在核心处的开放通道，卷褶式过滤产品可包含额外量的卷式过滤器膜。卷褶式过滤器还：对褶高度没有限制；不经历大加压外径表面；不需要流体通过所述圆筒的中心开口；具有高度均匀的装填密度；且由于组装方法及流动模式，在所述过滤器膜层的所述褶式边缘处经历减少褶损伤。

15、一方面，以下说明涉及一种用于减少在流体中的微量杂质的量的缠绕-褶式过滤器。所述缠绕-褶式过滤器包含：多层过滤器膜组合件，其包括第一多孔过滤器膜层及第二多孔过滤器膜层，所述第一多孔过滤器膜层及所述第二多孔过滤器膜层中的每一者包括入口表面、出口表面、长度、沿所述长度延伸的入口端、沿所述长度延伸的出口端及所述入口端与所述出口端之间的宽度。所述多孔过滤器膜层组合件沿所述长度绕中心轴线缠绕以形成所述缠绕-褶式过滤器。所述第一多孔过滤器膜层的所述入口表面面向所述第二多孔过滤器膜层的入口表面。所述过滤器还包含：缠绕入口褶，其包含在所述缠绕-褶式过滤器的入口端处的相邻过滤器膜层的入口端，及缠绕出口褶，其包含在所述缠绕-褶式过滤器的出口端处的相邻过滤器膜层的出口端。

16、另一方面，本说明书涉及一种缠绕-褶式过滤器。所述过滤器包含多层过滤器膜组合件，其包含第一多孔过滤器膜层及第二多孔过滤器膜层，所述第一多孔过滤器膜层及所述第二多孔过滤器膜层中的每一者包含入口表面、出口表面、长度、沿所述长度延伸的入口端、沿所述长度延伸的出口端及所述入口端与所述出口端之间的宽度。所述多孔过滤器膜层组合件沿所述长度且围绕中心轴线缠绕以形成所述缠绕-褶式过滤器，其包含多个多孔过滤器膜层组合件绕组。所述第一多孔过滤器膜层的所述入口表面面向所述第二多孔过滤器膜层的入口表面。所述过滤器还包含：褶，其包括所述第一多孔过滤器膜层的出口端及相邻多孔过滤器膜层的出口端，所述褶包括折叠、焊接或热塑性结合剂；在所述缠绕-褶式过滤器的入口端处的所述膜层的缠绕入口端；及在所述缠绕-褶式过滤器的出口端处的所述膜层的缠绕出口端。

17、另一方面，本说明书涉及通过使流体通过本说明书的过滤器从所述流体移除杂质的方法，所述流体包括微量杂质，使得所述过滤器膜保留所述微量杂质的部分。

18、另一方面，本说明书涉及一种制备缠绕-褶式过滤器的方法。所述方法包含：使用包含第一多孔过滤器膜层及第二多孔过滤器膜层的多层过滤器膜组合件，所述第一多孔过滤器膜层及所述第二多孔过滤器膜层中的每一者具有入口表面、出口表面、长度、沿所述长度延伸的入口端、沿所述长度延伸的出口端及所述入口端与所述出口端之间的宽度；且其中所述第一多孔过滤器膜层的所述入口表面面向所述第二多孔过滤器膜层的入口表面；缠绕所述多层过滤器膜组合件以形成包括多个多孔过滤器膜层组合件绕组的所述缠绕-褶式过滤器，形成包括所述第一多孔过滤器膜层的出口端及相邻多孔过滤器膜层的出口端的褶，所述褶包括折叠、焊接或热塑性结合剂，及形成包括所述第一多孔过滤器膜层的入口端及相邻多孔过滤器膜层的入口端的褶，所述褶包括折叠、焊接或热塑性结合剂。

19、另一方面，本说明书涉及一种由多个膜层制备卷褶式过滤器的方法。所述方法包含：对准所述膜层的所述前边缘及所述后边缘；沿所述层的长度滚卷所述层，以形成具有多个绕组的缠绕卷式过滤器；及连接所述绕组的交替膜层的所述相邻前边缘及后边缘。