專利名稱：低成本可液化氣體洗凈方法
技術領域：
本發(fā)明有關一種可液化氣體洗凈方法，特別是有關一種低成本可液化氣體洗凈方法。
傳統的工業(yè)用洗凈制造程序多為濕式清洗方式，清洗介質為溶劑、水或水性溶劑，以及添加清潔劑。然而，此種溶劑添加清洗方式需要干燥過程，而且有毒污染物及清潔劑溶解在水或溶劑中，必須經過廢水/廢溶劑處理后始可排放。如今隨著環(huán)保要求日益嚴格，傳統溶劑有空氣污染，破壞臭氧層及導致溫室效應等問題而逐漸被禁用，水洗制造程序耗費大量水資源及電能，且也有廢水處理問題，因此清洗制造程序成本節(jié)節(jié)高漲。
近二十年來，科學家發(fā)現許多可液化氣體在超臨界狀態(tài)(supercriticalstate)下具有似溶劑般的溶解力，而可被用來取代傳統的溶劑作萃取或洗凈用途。其中以二氧化碳(CO2)最常被使用在商業(yè)化批量生產的設備中，因其具有環(huán)保、安全、使用成本低又無污染之虞的優(yōu)點，但是，使用的CO2必須在高壓下操作，因其臨界點為31.1℃，73.8bar，所以設備昂貴，推廣不易。
用于清洗的稠相(dense phase)流體包括液態(tài)及超臨界狀態(tài)的可液化氣體，使用液態(tài)流體清洗可加上傳統的輔助清洗機構，如超音波(ultrasonic)、噴嘴(nozzle)、攪拌器(agitator)、紫外線照射(UVradiation)等方式以加速清洗效果，如美國專利第5,068,040、5,316,591、5,370,740、5,337,746、5,377,705、5,456,759及5,522,938號等所揭示者；而使用超臨界狀態(tài)流體則利用其低表面張力與強溶解力特性將污染物溶解后，帶離物件表面以達到洗凈目的，如美國專利第4,944,837、5,013,366、5,267,455、5,355,901、5,370,742及5,401,322號等所揭示者。
CO2的狀態(tài)主要由溫度與壓力來決定，在不同狀態(tài)下溶解力不同，所使用的輔助洗凈機制也不盡相同。美國專利第5,013,366號提出相切換(phaseshifting)法，先將CO2壓力提高至臨界壓力(Pc)或以上，再藉由控制其溫度，使其溫度高于或低于臨界溫度(Tc)的切換，以進行不同的清洗機制，如

圖1的A←→A’點之間切換。另外，美國專利第5,514,220號提出壓力脈沖(pressure pulse)法，先將CO2加壓加溫至超臨界狀態(tài)，在等溫狀態(tài)下反復地提高、降低壓力，造成脈沖效果以去除污物，如圖1的B←→B’點之間切換。又如愛德華巴克(Edward Bok)等所發(fā)表的“用于單一芯片洗凈的超臨界流體(Supercritical Fluids for Single Wafer Cleaning)”(刊于Solid State Technology，June 1992，pp，117-120)揭露的循環(huán)式壓力(cycling pressure)則是在如圖1的C←→C’點之間切換。然而此類系統需用到高壓泵(pump)來提高壓力，以將高壓CO2注入清洗系統，因而設備成本高。
美國專利第5,339,844號揭露的低成本設備，主要分成兩類，一為中階(intermediate)洗凈系統，一為低階(low end)洗凈系統。前者主要由CO2貯存槽、熱交換器、洗凈槽、過濾器、壓縮機等構成，洗凈槽內有加熱/冷卻器、超音波產生器、噴嘴及液位指示器(level indicator)等。此系統要利用CO2在液體狀態(tài)下，可使用噴嘴、超音波等輔助洗凈機構以強化洗凈效果，并未涉及不同相的切換，而且使用液位指示器以確認待洗物件完全浸在液態(tài)CO2中，而其低階系統只由CO2鋼瓶、熱交換器、洗凈槽及分離槽構成，洗凈槽內有過濾器、噴嘴及超音波產生器，雖然組成簡單，但無液位指示器無法確保物件完全浸在液態(tài)CO2中，而且只能使用在液態(tài)CO2狀態(tài)，此外，在清洗完畢后，常因排放稠相流體的減壓速度太快，造成物件因瞬間降溫、空蝕(cavitation)現象或局部應力集中，而嚴重損傷被洗物件表面，及產生已溶解在CO2中的污染物再沉積在被洗物件表面上。鑒于上述先前技術的缺陷，因而需要提供一可使系統設備低成本化，又能符合精密洗凈要求的可液化氣體洗凈方法，以解決現有技術的問題。
本發(fā)明的主要目的是提供一種低成本可液化氣體洗凈方法，其利用稠相流體作為清洗介質，且以低于臨界壓力狀態(tài)為操作起始點，因而不需使用高壓泵以將高壓稠相流體注入清洗系統，從而大幅降低設備成本，本發(fā)明的次要目的是提供一種低成本可液化氣體洗凈方法，其以定比容方式控制稠相流體溫度使其高或低于臨界溫度(Tc)的切換，可使稠相流體在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換(phase shifting)，用以清洗該物件。
本發(fā)明的另一目的是提供一種低成本可液化氣體洗凈方法，其可藉由一流量計或磅秤量測本發(fā)明低成本可液化氣體洗凈系統所需稠相流體的質量，而無須在清洗槽內裝設液位檢測器或觀景窗，也可減少系統設備成本。
本發(fā)明的再一目的是提供一種低成本可液化氣體洗凈方法，其在清洗槽出口提供一壓力控制器，以控制排放稠相流體的減壓速度，以防止排放稠相流體的減壓速度太快，造成物件因瞬間降溫、空蝕(cavitation)現象或局部應力集中，而嚴重損傷被洗物件表面，及產生已溶解在CO2中的污染物再沉積在被洗物件表面上。
本發(fā)明的再一目的是提供一種低成本可液化氣體洗凈方法，其是以可液化氣體的固體狀態(tài)存在者補充系統所須的稠相流體，本發(fā)明的洗凈方法是這樣實現的一種低成本可液化氣體洗凈方法，以從選定物件上移除污染物，其特征在于其包含下列步驟將該含有污染物的物件放置在一清洗槽中；將一所需量的可液化氣體注入清洗槽中，該可液化氣體的壓力是低于其臨界壓力狀態(tài)；將該含有污染物的物件與該可液化氣體接觸，其溫度是低于其臨界溫度；沿該可液化氣體的定比容線變化該可液化氣體的溫度，以改變該可液化氣體的狀態(tài)，且在每一狀態(tài)維持一足夠時間，以將該物件上污染物移除；及將包含污染物的可液化氣體排出該清洗槽。
其該可液化氣體是選自二氧化碳(carbon dioxide)，氨(ammonia)，氦(helium)，氬(argon)，氙(Xenon)及氧化亞氮(nitrous oxide)及其組合。
其中該可液化氣體具有氫鍵或極性化合物的添加劑。
其中該可液化氣體所需量是根據該物件體積、清洗槽內體積及足以淹沒該物件的液面所決定。
其中該可液化氣體是以液態(tài)注入清洗槽內，且由一流量計量測所需的量。
其中該可液化氣體是以固態(tài)注入清洗槽內，且由一磅秤量測所需的量，再加熱至液氣平衡狀態(tài)。
其中該定比容線是由注入清洗槽內的可液化氣體所需量及清洗槽內的剩余空間決定。
其中該可液化氣體是在液態(tài)維持一足夠時間，且利用機械式清洗法以強化將該物件上污染物移除的效果。
其中該機械式清洗法是選自噴嘴、攪拌、及超音波或超高頻超音波(megasonic)類方法及其組合。
其中該溫度變化是由低于該可液化氣體臨界溫度的一第一溫度增加至高于該可液化氣體臨界溫度的一第二溫度。
其中該可液化氣體是沿定比容線變化溫度，而從超臨界狀態(tài)移至液氣平衡狀態(tài)，然后再回至超臨界狀態(tài)。
其在將含污染物的可液化氣體排出該清洗槽后，另包含一分離步驟，以分離該含污染物的可液化氣體的污染物，及回收該可液化氣體，以供重復使用。
其中至少以過濾及減壓其中的一種方式分離該可液化氣體的污染物。
其中該減壓方式是以分段式降壓，以防止損傷物件及該污染物再沉積在該物件。
其中該回收該可液化氣體步驟是純化該可液化氣體及冷凝至液態(tài)。
其中補充該可液化氣體是將固態(tài)可液化氣體放入清洗槽中，加熱使其從固態(tài)轉換至液氣平衡狀態(tài)，然后再循環(huán)至儲存槽中。
其中該物件是選自包含金屬、非金屬及復合材料族群的材料。
其中該污染物是選自包含有機、無機、離子化合物及微粒的族群。
其中在取出已洗凈物件前，將已洗凈物件加熱以防取出時的水汽凝結。
本發(fā)明的低成本可液化氣體洗凈方法主要是利用定比容方式，控制稠相流體溫度使其高于或低于臨界溫度(Tc)的切換，可使稠相流體在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換，用以清洗該物件。根據本發(fā)明的方法，其以低于臨界壓力狀態(tài)為起始點，因而本發(fā)明的設備不需使用高壓泵，以將稠相流體注入清洗槽中，而僅需將液態(tài)稠相液體直接注入清洗槽中，或直接將可液化氣體的固體狀態(tài)存在者置入清洗槽中即可，因而可大幅減少系統設備成本。
根據本發(fā)明的第一具體實施例，該低成本可液化氣體洗凈系統可藉由一流量計，精確控制本發(fā)明低成本可液化氣體洗凈系統清洗室所需稠相流體的質量。根據本發(fā)明的第二具體實施例，該低成本可液化氣體洗凈系統可直接將可液化氣體的固體狀態(tài)存在者置入清洗槽中即可，而無須在清洗槽內裝置液位檢測器或觀景窗，也可減少系統設備成本。
根據本發(fā)明的低成本可液化氣體洗凈方法，其操作方法如下1、根據系統所預定的條件，計算求得所需稠相流體質量M。
2、在低于臨界壓力狀態(tài)下，將所需稠相流體質量M注入清洗槽中。
3、由清洗槽設置的噴嘴，將所需稠相流體供給至清洗室中，且藉此噴嘴噴灑清洗待清洗物件。當稠相流體淹過待清洗物件后，以超音波裝置，以提供超音波洗凈；及攪拌裝置，以提供攪拌洗凈。
4、微處理器根據溫度感測器所感測的溫度，可視需要控制加熱裝置加熱清洗室中的溫度。如需以超臨界狀態(tài)洗凈，則使溫度上升至高于臨界溫度(Tc)，使稠相流體處于超臨界狀態(tài)，利用其低表面張力與強溶解力特性將污染物溶解后，帶離待洗物件表面以達更佳洗凈效果。
5、微處理器根據溫度感測器所感測的溫度，可視需要控制冷卻裝置冷卻清洗室中的溫度，使稠相流體由超臨界狀態(tài)變回液態(tài)。如需使清洗室中的稠相流體在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換循環(huán)，則可控制加熱裝置與冷卻裝置，使清洗室的溫度高于或低于臨界溫度(Tc)來回操作多次，直至洗凈完成。
6、在洗凈完成后，清洗后的稠相流體經由出口流入第一過濾裝置，以過濾清洗后稠相流體的雜質，第一過濾裝置較佳者為磁性濾網，用以過濾10μm以上的金屬屑與雜質。
7、過濾后的稠相流體流入一分離裝置，以分離稠相流體及污染物。分離裝置與第一過濾裝置之間，提供一壓力控制器以控制排放稠相流體的減壓速度，以防止排放稠相流體的減壓速度太快，造成物件因瞬間降溫、空蝕(cavitation)現象或局部應力集中，而嚴重損傷被洗物件表面，及產生已溶解在CO2中的污染物再沉積在被洗物件表面上。
8、在取出已洗凈物件前，將已洗凈物件加熱至稍高于外部室溫的溫度，以防止已洗凈物件取出后，外部水汽凝結在該已洗凈物件表面。
9、經分離后的稠相流體進入第二過濾裝置。該第二過濾裝置是用以過濾10μm以下的雜質，較佳者為可拋棄式濾網。
10、經第二過濾裝置過濾的稠相流體流經一冷凝裝置，經冷凝成液態(tài)后流回至儲存槽，因此，本發(fā)明可循環(huán)使用該系統的稠相流體。根據本發(fā)明的低成本可液化氣體洗凈方法，其利用稠相流體作為清洗介質，且以低于臨界壓力狀態(tài)為操作起始點，因而不需使用高壓泵，以將稠相流體注入清洗槽中，而僅需將液態(tài)稠相流體直接注入清洗槽中，或直接將可液化氣體的固體狀態(tài)存在者置入清洗槽中即可，因而可大幅減少系統設備成本。本發(fā)明也藉由一流量計精確控制本發(fā)明低成本可液化氣體洗凈系統所需稠相流體的質量，而無須在清洗槽內裝置液位檢測器或觀景窗，也可減少系統設備成本。本發(fā)明另在清洗槽出口提供一壓力控制器，以控制排放稠相流體的減壓速度，以防止排放稠相流體的減壓速度太快，造成物件因瞬間降溫、空蝕現象或局部應力集中，而嚴重損傷被洗物件表面，及產生已溶解在CO2中的污染物再沉積在被洗物件表面上。
下面配合附圖和較佳實施例，詳細說明本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點圖1為相切換(phase shifting)法、壓力脈沖(pressure pulse)法及循環(huán)壓力(cycling pressure)法的二氧化碳操作相圖(phase diagram)；圖2為本發(fā)明第一具體實施例的低成本可液化氣體洗凈系統的示意圖；圖3為本發(fā)明第二具體實施例的低成本可液化氣體洗凈系統的示意圖；圖4為本發(fā)明第三具體實施例的低成本可液化氣體洗凈系統的示意圖；圖5為本發(fā)明的定比容(constant specific volume)法的二氧化碳操作相圖(phase diagram)；圖6為本發(fā)明的低成本可液化氣體洗凈系統的微處理器控制示意圖；圖7為二氧化碳的壓力比容(Pυ)圖。
根據本發(fā)明的低成本可液化氣體洗凈方法，其是利用稠相流體(densephase fluid)作為清洗介質，利用其低表面張力與強溶解力特性將污染物溶解后，帶離物件表面以達洗凈目的。本發(fā)明的稠相流體(dense phasefluid)，其可轉換成超臨界流體(supercritical fluid)，或在尚未改變待洗凈物件的物理或化學性質的溫度及壓力，即可液化的氣體。這些可液化氣體典型包含，但不限于(1)碳氫化合物(hydrocarbons)，如甲烷(methane)，乙烷(ethane)，丙烷(propane)，丁烷(butane)，戊烷(pentane)，己烷(hexane)，乙烯(ethylene)及丙烯(propylene)；(2)鹵代烴(halogenated hydrocarbons)，如；四氟甲烷(tetrafluoromethane)，氟氯甲烷(chlorodifluoromethane)，六氟化硫(sulfur hexafluoride)，全氟丙烷(perfluoropropane)；(3)無機物(inorganics)，如二氧化碳(carbon dioxide)，氨(ammonia)，氦(helium)，氬(argon)，氪(krypton)，氙(Xenon)及氧化亞氮(nitrousoxide)；(4)及其混合物。選擇用以除去一特定污染物的稠相流體需選自具有與目標污染物相近似的化學溶解性。例如，一污染物的內聚力主要是由氫鍵構成，則所選擇的稠相流體需具有至少與其相當的氫鍵結合能力，以能產生溶解，因二氧化碳是相當便宜、無毒且容易液化，因而其為本發(fā)明的低成本可液化氣體洗凈方法的較佳稠相流體。本發(fā)明現以二氧化碳為較佳實施例，詳細說明本發(fā)明的目的、特征和優(yōu)點。然而，熟悉本技藝人士應可根據所欲清洗物件的特性，選擇上述合適的稠相流體，用以清洗該物件。因此，適用本發(fā)明的稠相流體并不局限于二氧化碳，上述合適的稠相液體皆可用以實施本發(fā)明，本發(fā)明被洗物件是包含金屬、非金屬及復合材料族群的材料，被洗去的污染物則包含有機、無機、離子化合物及微粒的族群。
二氧化碳的臨界溫度(Tc)為31.1℃，臨界壓力為73.8bar，二氧化碳的相圖(phase diagram)顯示于圖1，當壓力高于臨界點時，控制其溫度使其高于或低于臨界溫度(Tc)的切換，可使二氧化碳在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換(phase shifting)。美國專利第5,013,366號對相切換的說明已有詳細揭示，在此并入本文參考，故不再贅述。
請參考圖2，其顯示本發(fā)明低成本可液化氣體洗凈系統的示意圖。根據本發(fā)明的第一具體實施例，該低成本可液化氣體洗凈系統主要包含一儲存槽10，一流量計20，一清洗槽30，一第一過濾裝置42，一分離裝置51，一第二過濾裝置60，及一冷凝裝置70。儲存槽10是用以儲存所需的液態(tài)二氧化碳，以供清洗槽30使用，該儲存槽10較佳者為一壓力儲存槽或一鋼瓶，其溫度小于二氧化碳的臨界溫度(Tc)，較佳者為25℃，壓力為800-900psi。儲存槽10的液態(tài)二氧化碳經由流量計20，而由控制閥22控制進入清洗槽30的入口23。一添加劑入口21設在流量計20與控制閥22之間，以供加入所需的清洗添加劑。添加劑是具有氫鍵結或極性化合物的輔溶劑(co-solvent)、修飾劑(modifier)或界面活性劑(surfactant)。流量計20是用以量測進入清洗槽30的所需二氧化碳流量，該流量計20可累計所流經的流體質量或體積。
清洗槽30具有一蓋體30a及槽壁30b，以界定一清洗室31，清洗室31具有一溫度感測器31a以感測清洗室31內的溫度，及一壓力感測器31b以感測清洗室31內的壓力。二氧化碳經由流量計20控制所需的量，經由沿槽壁30b設置的噴嘴32，供給至清洗室31中，且可籍此噴灑清洗待清洗物件。較佳者，噴嘴32沿槽壁30b以切線方向設置，使供給至清洗室31中的二氧化碳液體產生渦流。較佳者，清洗槽30也設有超音波裝置33或超高頻超音波(megasonic)裝置，以提供超音波洗凈，及設有攪拌裝置34，以提供攪拌洗凈功效。清洗槽30也可設有紫外線光，以提供殺菌作用。較佳者，清洗槽30也設有一供侍洗物件置放的置物籃35，置物籃35是由置物籃支撐件36支撐在清洗室31中的適當位置。清洗槽30設有一加熱裝置38及一冷卻裝置39，以控制清洗室31中所需的操作溫度，使其在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換。加熱裝置38較佳者為一加熱線圈，而冷卻裝置39較佳者為一冷卻水套。較佳者，加熱裝置38與冷卻裝置39可結合為一溫度控制裝置。較佳者，該溫度控制裝置也可為置于洗凈槽內的熱交換器。根據清洗室31中所需的溫度，加熱裝置38及冷卻裝置39經由微處理器控制其操作溫度。
清洗后的二氧化碳經由出口41流入一第一過濾裝置42，以過濾清洗后二氧化碳的雜質，第一過濾裝置42較佳者為磁性濾網，用以過濾10μm以上的金屬屑及雜質。之后，經過濾的二氧化碳流入一分離裝置51，以分離二氧化碳及污染物。若排放二氧化碳的減壓速度太快，會產生低溫汽爆，而嚴重損傷清洗物件表面。因此，分離裝置51與第一過濾裝置42之間較佳者者是提供一壓力控制器43，以控制排放二氧化碳的減壓速度，以防止排放稠相流體的減壓速度太快，造成物件因瞬間降溫、空蝕(cavitation)現象或局部應力集中，而嚴重損傷被洗物件表面，及產生已溶解在CO2中的污染物再沉積在彼洗物件表面上。
分離裝置51具有一排放閥52，以排放所分離的雜質及污染物。較佳者，經分離后的二氧化碳進入一第二過濾裝置60，該第二過濾裝置60是用以過濾10μm以下的雜質，較佳者為可拋棄式濾網。經第二過濾裝置60過濾的二氧化碳流經一冷凝裝置70，經冷凝成為液態(tài)后，流回至儲存槽10。因此，根據本發(fā)明的第一具體實施例，可循環(huán)使用該低成本可液化氣體洗凈系統的二氧化碳。本發(fā)明另在第一過濾裝置42與壓力控制器43之間同設一切換閥45，控制第一過濾裝置42過濾后的二氧化碳流入旁通回路44，而由另一切換閥45直接流入第二過濾裝置60。
請參考圖3，其顯示本發(fā)明另一具體實施例的低成本可液化氣體洗凈系統的示意圖。根據本發(fā)明的第二具體實施例，該低成本可液化氣體洗凈系統是一較簡化的設備，其二氧化碳不可循環(huán)使用，但可設計成可攜帶式低成本可液化氣體洗凈系統。根據本發(fā)明的第二具體實施例，該低成本可液化氣體洗凈系統，其主要包含一清洗槽30具有一蓋體30a及槽壁30b，以界定一清洗室31，一溫度感測器31a以感測清洗室31內的溫度；及一壓力感測器31b以感測清洗室31內的壓力；一加熱裝置38及一冷卻裝置39，以控制清洗室31中所需的操作溫度，使其在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換。加熱裝置38較佳者為一加熱線圈，而冷卻裝置39較佳者為一冷凝器。較佳者，加熱裝置38與冷卻裝置39可結合為一溫度控制裝置。根據清洗室31中所需的溫度，加熱裝置38及冷卻裝置39經由微處理器控制其操作溫度。較佳者，清洗槽30也設有超音波裝置33，以提供超音波洗凈功效。較佳者，清洗槽30也設有攪拌裝置34，以提供攪拌洗凈功效。較佳者，清洗槽30也設有一供待洗物件置放的置物籃35，置物籃35是由置物籃支撐件36支撐在清洗室31中的適當位置。清洗槽30也可設一吊架36’供待洗物件吊放。清洗后的二氧化碳經由出口41排出。較佳者，出口41提供一壓力控制器43以控制排放二氧化碳的減壓速度，以防止排放二氧化碳的減壓速度太快，造成物件因瞬間降溫、空蝕(cavitation)現象或局部應力集中，而嚴重損傷被洗物件表面，及產生已溶解在CO2中的污染物再沉積在被洗物件表面上。經減壓后的二氧化碳經由分離裝置51，以分離二氧化碳的雜質及污染物。分離裝置51具有一排放閥52，以排放所分離的雜質及污染物，及一排氣閥53，以排放分離的二氧化碳。
請參考圖4，其顯示本發(fā)明另一具體實施倒的低成本可液化氣體洗凈系統的示意圖。根據本發(fā)明的第三具體實施例，該低成本可液化氣體洗凈系統是一較簡化的設備，其二氧化碳不可循環(huán)使用。本發(fā)明的第三具體實施例與本發(fā)明的第一具體實施例的低成本可液化氣體洗凈系統相似，其差異在于出口41排放的二氧化碳經由分離裝置51分離后，二氧化碳及其雜質及污染物分別由排氣閥53及排放閥52排放，而不加以循環(huán)回收。
以下詳細說明本發(fā)明低成本可液化氣體洗凈方法的操作原理及方法。請參考圖5，本發(fā)明的低成本可液化氣體洗凈方法主要是利用定比容方式，控制二氧化碳溫度使其高于或低于臨界溫度(Tc)的切換，可使二氧化碳在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換，用以清洗該物件。根據本發(fā)明的定比容方法，注入清洗槽30中用以清洗的二氧化碳，其初始狀態(tài)可為液氯共存的X’點，而在X’及X”點之間沿其等比容線，控制其溫度使其高于或低淤臨界溫度(Tc)的變化，使二氧化碳在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相仞換。如圖所示，本發(fā)明選擇合適的等比容線，如800kg/m3，控制其溫度在20-40℃之間升降，即可使二氧化碳在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換，以達到所需的洗凈狀態(tài)。
根據本發(fā)明另一實施例的定比容方法，二氧化碳的初始狀態(tài)可為固態(tài)的X點，而經加熱使具沿固氣及液氣平衡線而達X’點，而再在X’及X”點之間沿其等比容線，控制其溫度使其高于或低于臨界溫度(Tc)的變化，使二氧化碳在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換，以達到所需的洗凈狀態(tài)。本發(fā)明的優(yōu)點在于其以低于臨界壓力狀態(tài)為起始點，因而本發(fā)明的設備不需使用高壓泵，以將二氧化碳注入清洗槽30中，而僅需將液態(tài)二氧化碳直接由儲存槽10經由流量計20計量注入清洗槽30中，或直接稱重量取固態(tài)二氧化碳(干冰)后置入清洗槽30中即可，因而可大幅減少系統設備成本。
請參照圖3，若清洗槽30的總容積為V1，待清洗物件40的體積為V2，液態(tài)二氧化碳淹過待清洗物件而距蓋體30a的距離為S，清洗槽30的槽內底面積為A，清洗槽30的溫度為T1，由二氧化碳的飽和蒸汽壓表可查得在溫度T1條件下的飽和液態(tài)二氧化碳比容為υf，氣態(tài)二氧化碳比容為υg，則計算所需充填二氧化碳的質量如下液態(tài)二氧化碳體積Vf＝V1-V2-AS氣態(tài)二氧化碳體積Vg＝AS二氧化碳質量M＝Vf/υf+Vg/υg＝[V1-V2-AS]/υf+AS/υg，(1)則在溫度T1條件下的初次充填二氧化碳比容為υP(m3/kg)＝[V1-V2]/M (2)上述系統所需的二氧化碳的質量M及其比容υP的計算式是用以說明本發(fā)明是可依定比容方式，控制二氧化碳溫度使其高于或低于臨界溫度(Tc)的切換，可使二氧化碳在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換，用以清洗該物件。掌握該項技藝的人員應當可以其他方式計算出所需的二氧化碳的質量M及其比容υP，而也可達成本發(fā)明的功效。
根據本發(fā)明的第一具體實施例，該低成本可液化氣體洗凈系統可藉由一流量計20，較佳者為質量流量計，或體積流量計經過換算，可精確計量本發(fā)明低成本可液化氣體洗凈系統清洗室31所需二氧化碳的質量M。根據本發(fā)明的第二具體實施例，該低成本可液化氣體洗凈系統可直接稱重量取固態(tài)二氧化碳(干冰)后置入清洗槽30中即可，而無需在清洗槽30內裝置液位檢測器或觀景窗，也可減少系統設備成本。
請參考圖6，其揭示本發(fā)明的低成本可液化氣體洗凈系統的微處理器控制示意圖。徵處理器80可根據所預定的V1，V2，S，A，液態(tài)二氧化碳比容為υf，氣態(tài)二氧化碳比容為υg，由式(1)計算，求得所需二氧化碳質量M，藉由流量計20計量進入清洗槽30的二氧化碳量，配合控制閥22因而可精確控制系統所需二氧化碳的質量。此外，微處理器80也與溫度感測器31a，壓力感測器31b，加熱裝置38及冷卻裝置39相連接以控制清洗室31中所需的操作溫度與壓力，微處理器也可與壓力控制器43相連接，以控制排放二氧化碳的減壓速度。
請參考圖7，顯示二氧化的壓力比容(Pυ)圖。當υP小于υc(臨界比容)時，如圖的A點，液體多于氣體。當溫度由TA升至TB時，由A點移至B點(比容不變)，此時液面會升高，壓力PB也升高。當由B點移至C點，溫度超過臨界溫度(Tc)時，則二氧化碳處于超臨界狀態(tài)。由此壓力比容圖，可預測不同溫度下的壓力，且可控制所需二氧化碳的狀態(tài)為液態(tài)或超臨界狀態(tài)。
根據本發(fā)明的低成本可液化氣體洗凈方法，其操作方法如下1、根據所預定的V1，V2，S，A，液態(tài)二氧化碳比容為υf，氣態(tài)二氧化碳比容為υg，由式(1)計算，求得所需二氧化碳質量M。
2、以低于臨界壓力狀態(tài)為操作起始點，將所需二氧化碳質量M注入清洗槽30中。請參考圖5，其初始狀態(tài)可為液氣共存的X’點，或可為固態(tài)的X點，而經加熱使其沿固氣及液氣平衡線而達X’點。
3、由清洗槽30設置的噴嘴32，將所需二氧化碳供給至清洗室31中，且藉此噴嘴32噴灑清洗待清洗物件。當二氧化碳淹過待清洗物件后，以超音波裝置33，以提供超音波洗凈，及攪拌裝置34，以提供攪拌洗凈。
4、微處理器根據溫度感測器31a所感測的溫度，可視需要控制加熱裝置38加熱清洗室31中的溫度。如需以超臨界狀態(tài)洗凈，則使溫度上升至高于臨界溫度(Tc)，使稠相流體變成超臨界狀態(tài)，利用其低表面張力與強溶解力特性將污染物溶解后，帶離待洗物件表面以達到更佳洗凈效果。
5、微處理器根據溫度感測器所感測的溫度，可視需要控制冷卻裝置冷卻清洗室中的溫度，使稠相流體由超臨界狀態(tài)變回液態(tài)。如需使清洗室中的稠相流體在液態(tài)及超臨界狀態(tài)之間變換產生相切換(phase shifting)循環(huán)，則可控制加熱裝置與冷卻裝置，使清洗室的溫度高于或低于臨界溫度(Tc)來回操作多次，直至洗凈完成。
6.在洗凈完成后，清洗后的二氧化碳經由出口41流入第一過濾裝置42，以過濾清洗后二氧化碳的雜質，第一過濾裝置42較佳者為磁性濾網，用以過濾10μm以上的金屬屑與雜質。
7、過濾后的二氧化碳流入一分離裝置51，以分離二氧化碳中所含的雜質及污染物。分離裝置51與第一過濾裝置42之間，提供一壓力控制器43以控制排放二氧化碳的減壓速度，以防止排放二氧化碳的減壓速度太快，造成物件因瞬閭降溫、空蝕(cavitation)現象或局部應力集中，而嚴重損傷被洗物件表面，及產生已溶解在CO2中的污染物再沉積在被洗物件表面上。
8、在取出已洗凈物件前，將已洗凈物件加熱至稍高于外部室溫的溫度，以防止已洗凈物件取出后，外部水汽凝結在該已洗凈物件表面。
9、經分離后的二氧化碳進入第二過濾裝置60。該第二過濾裝置60是用以過濾10μm以下的雜質，較佳者為可拋棄式濾網。
10、經第二過濾裝置60過濾后的純凈二氧化碳流經一冷凝裝置70，經冷凝成液態(tài)后流回至儲存槽10。因此，本發(fā)明可循環(huán)使用該系統的二氧化碳。
根據本發(fā)明，當系統的二氧化碳需補充時，可由二氧化碳槽車將液態(tài)二氧化碳補充至儲存槽10中，或直接將所需補充的二氧化碳量以固態(tài)干冰型態(tài)直接置入清洗槽30中，經加熱成液態(tài)后經由第一過濾裝置42，切換閥45，旁通回路44，第二過濾裝置60及冷凝裝置70而循環(huán)流回至儲存槽10。
由以上說明，根據本發(fā)明的低成本可液化氣體洗凈系統，其利用稠相流體作為清洗介質，且以低于臨界壓力狀態(tài)為操作起始點，因而不需使用高壓泵，以將稠相流體注入清洗槽中，而僅需將液態(tài)稠相流體直接注入清洗槽中，或直接將可液化氣體的固體狀態(tài)存在者置入清洗槽中即可，因而可大幅減少系統設備成本。本發(fā)明也藉由一流量計精確控制本發(fā)明低成本可液化氣體洗凈系統所需二氧化碳的質量，而無需在清洗槽內裝置液位檢測器或觀景窗，也可減少系統設備成本。本發(fā)明另在清洗槽出口提供一壓力控制器以控制排放二氧化碳的減壓速度，以防止排放二氧化碳的減壓速度太快，造成物件因瞬間降溫、空蝕(caviiaiion)現象或局部應力集中，而嚴重損傷被洗物件表面，及產生已溶解在CO2中的污染物再沉積在被洗物件表面上。
權利要求
1.一種低成本可液化氣體洗凈方法，以從選定物件上移除污染物，其特征在于其包含下列步驟將該含有污染物的物件放置在一清洗槽中；將一所需量的可液化氣體注入清洗槽中，該可液化氣體的壓力是低于其臨界壓力狀態(tài)；將該含有污染物的物件與該可液化氣體接觸，其溫度是低于其臨界溫度；沿該可液化氣體的定比容線變化該可液化氣體的溫度，以改變該可液化氣體的狀態(tài)，且在每一狀態(tài)維持一足夠時間，以將該物件上污染物移除；及將包含污染物的可液化氣體排出該清洗槽。
2.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于該可液化氣體是選自二氧化碳(carbon dioxide)，氨(ammonia)，氦(helium)，氬(argon)，氙(Xenon)及氧化亞氮(nitrous oxide)及其組合。
3.如權利要求2所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該可液化氣體具有氫鍵或極性化合物的添加劑。
4.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該可液化氣體所需量是根據該物件體積、清洗槽內體積及足以淹沒該物件的液面所決定。
5.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該可液化氣體是以液態(tài)注入清洗槽內，且由一流量計量測所需的量。
6.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該可液化氣體是以固態(tài)注入清洗槽內，且由一磅秤量測所需的量，再加熱至液氣平衡狀態(tài)。
7.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該定比容線是由注入清洗槽內的可液化氣體所需量及清洗槽內的剩余空間決定。
8.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該可液化氣體是在液態(tài)維持一足夠時間，且利用機械式清洗法以強化將該物件上污染物移除的效果。
9.如權利要求8所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該機械式清洗法是選自噴嘴、攪拌、及超音波或超高頻超音波(megasonic)類方法及其組合。
10.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該溫度變化是由低于該可液化氣體臨界溫度的一第一溫度增加至高于該可液化氣體臨界溫度的一第二溫度。
11.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該可液化氣體是沿定比容線變化溫度，而從超臨界狀態(tài)移至液氣平衡狀態(tài)，然后再回至超臨界狀態(tài)。
12.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其在將含污染物的可液化氣體排出該清洗槽后，另包含一分離步驟，以分離該含污染物的可液化氣體的污染物，及回收該可液化氣體，以供重復使用。
13.如權利要求12所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中至少是以過濾及減壓其中的一種方式分離該可液化氣體的污染物。
14.如權利要求13所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該減壓方式是以分段式降壓，以防止損傷物件及該污染物再沉積在該物件。
15.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該回收該可液化氣體步驟是純化該可液化氣體及冷凝至液態(tài)。
16.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中補充該可液化氣體是將固態(tài)可液化氣體放入清洗槽中，加熱使其從固態(tài)轉換至液氣平衡狀態(tài)，然后再循環(huán)至儲存槽中。
17.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該物件是選自包含金屬、非金屬及復合材料族群的材料。
18.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中該污染物是選自包含有機、無機、離子化合物及微粒的族群。
19.如權利要求1所述的低成本可液化氣體洗凈方法，其特征在于其中在取出已洗凈物件前，將已洗凈物件加熱以防取出時的水汽凝結。
全文摘要
一種低成本可液化氣體洗凈方法,包含下列步驟:將含有污染物的物件放置在一清洗槽中;將一所需量的可液化氣體注入清洗槽中,該可液化氣體的壓力低于其臨界壓力狀態(tài);將該含有污染物的物件與該可液化氣體接觸,其溫度低于其臨界溫度;沿該可液化氣體的定比容線變化該可液化氣體的溫度,以改變可液化氣體的狀態(tài),且在每一狀態(tài)維持一足夠時間,以將物件上污染物移除;及將包含污染物的可液化氣體排出該清洗槽;在取出已洗凈物件前,將已洗凈物件加熱,以防止取出時水汽凝結。
文檔編號B08B3/00GK1362295SQ0110039
公開日2002年8月7日 申請日期2001年1月4日 優(yōu)先權日2001年1月4日
發(fā)明者郭子禎, 梁明在 申請人:財團法人金屬工業(yè)研究發(fā)展中心