DE69410192T3 - Kostengünstige Einrichtung zum Reinigen unter Verwendung verflüssigbarer Gase - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Verwendung von überkritischen Flüssigkeiten zur Reinigung von Substraten und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung unter Verwendung eines verflüssigbaren Gases wie flüssiges Kohlenstoffdioxid in Verbindung mit Ultraschall-Hohlraumbildung, um eine Hohlreinigungseffizienz zum allgemeinen Befreien und Entfernen von Teilchen ohne Notwendigkeit einer aufwendigen Hochdruckausrüstung zu erzielen.
  • 2. Beschreibung der verwandten Technik
  • Von der Industrie wurde in der Vergangenheit Ultraschallreinigung angewandt. Bei den herkömmlichen Verfahren wurden als schalltragendes Medium organische Lösungsmittel, Wasser oder wässrige Lösungen verwendet, und es wurde Ultraschallenergie auf das Medium angewandt, um eine Hohlraumbildung zu unterstützen, d. h. die Bildung von Blasen und den darauffolgenden Einbruch. Obwohl beide Typen von Lösungsmitteln im allgemeinen zur Entfernung einer unerwünschten Verunreinigung geeignet sind, besitzen sie Nachteile. Viele Substrate benötigen ein genaues Trocknungsverfahren, worauf ein Aussetzen bezüglich eines wässrigen Mediums folgt, was oft einen zeitaufwendigen thermischen Exkurs bedeutet. Die Verwendung von organischen Lösungsmittel als schalltragendes Medium beinhaltet die Schwierigkeit einer chemischen Entsorgung und ist strikten Reglementierungen unterworfen. Ein weiterer Nachteil besteht in der Handhabung der entfernten Verunreinigungen, ob es sich um einen organischen Stoff oder einen aus Teilchen bestehenden Stoff handelt. Wenn es sich bei der Verunreinigung um ein kontrolliertes Material wie radioaktive Teilchen handelt, ob es sich um eine Lösung oder Suspension handelt, ist ihr Volumen wesentlich erhöht, was bezüglich einer Vorbehandlung bzw. einer Entsorgung ein zusätzliches Problem darstellt.
  • Ein bestimmtes herkömmliches Reinigungssystem unter Verwendung eines organischen Lösungsmittels ist aus der US-A-5,193,560 bekannt, auf welche der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert. Diese Druckschrift offenbart eine Vorrichtung zum Entfernen unerwünschter Teilchen und Verunreinigungen von einer Hauptoberfläche eines gewählten Substrats, welche eine eingeschlossene Reinigungskammer in einem ummantelten Behälter zur Aufnahme einer Flüssigkeit und des Substrats, welches die unerwünschten Teilchen und Verunreinigungen enthält, aufweist. Das Substrat wird in die Flüssigkeit eingetaucht und innerhalb der Reinigungskammer getragen. Ein ultraschallenergieerzeugender Wandler ist an dem ummantelten Gefäß innerhalb der Reinigungskammer befestigt und beaufschlagt die Flüssigkeit mit Ultraschallenergie. Des weiteren ist eine Temperatursteuereinrichtung zum Steuern der Temperatur innerhalb der Kammer und ein Behälter zum Bereitstellen von Flüssigkeit der Reinigungskammer mit der Reinigungskammer verbunden.
  • Bei den herkömmlichen Ultraschallreinigungsverfahren werden Wandler oft zum Erzeugen der Schallenergie verwendet. Bei anderen Verfahren kann eine hohlraumbildende Düse bzw. Ausguß verwendet werden. Beispielsweise werden in dem U.S. Patent No. 4,906,387, erteilt am 6. März 1990 für J. Pisani bezüglich "Method for Removing Oxidizable Contaminants in Cooling Water Used in Conjunction with Cooling Tower" und U.S. Patent Nr. 4,990,260, erteilt am 5. Februar 1991 für J. Pisani bezüglich "Method and Apparatus for Removing Oxidizable Contaminants in Water to Achieve High Purity Water for Industrial Use" Verfahren zum Entfernen von Verunreinigungen aus Wasser durch Induzieren einer Hohlraumbildung in dem Wasser offenbart, um das Wasser zu einem Dissoziieren zur Erzeugung von hydroxylfreien Radikalen zu Dissoziieren, welche als Oxidationsmittel arbeiten. Bei den Verfahren von Pisani wird Ultraviolettstrahlung in Kombination mit einer Höhlenbildung verwendet, um mit dem Oxidationsverfahren fortzufahren, welches durch die hydroxylfreien Radikale injiziert wurde. Die Hohlraumbildung bei den Verfahren nach Pisani wird durch eine Düse "eines kritischen Flusses" geschaffen.
  • Ein anderer Typ eines Reinigungsverfahrens unter Verwendung eines Phasenverschiebens der Dichtephase von Gasen wurde offenbart und beansprucht in dem U.S. Patent Nr. 5,013,366, welches für D. P. Jackson et al. erteilt wurde und demselben Rechtsnachfolger wie dem der vorliegenden Erfindung entsprechend der W090/06189 zugewiesen wurde. Das Verfahren verwendet ein Dichtephasengas bei dem kritischen Druck oder darüber. Die Phase des Dichtephasengases wird dann zwischen dem flüssigen Zustand und dem überkritischen Zustand durch Ändern der Temperatur des Dichtefluids in einer Reihe von Schritten zwischen Temperaturen oberhalb und unterhalb der kritischen Temperatur des Dichtefluids verschoben bzw. geändert, während der Druck über dem kritischen wert aufrechterhalten wird. Beispiele von Fluids enthalten Hydrokohlenwasserstoffe wie Methan, Ethan, Propan, Pentan, Hexan, Ethylen und Propylen; (2) halogenierte Hydrokohlenwasserstoffe wie Tetrafluoromethan, Chlorodifluoromehtan und Perfluoropropan; (3) anorganische Stoffe wie Kohlendioxid, Ammoniak, Helium, Krypton, Argon, Schwefelhexafluorid und Distickstoffoxid; und (4) Gemische davon. In alternativen Ausführungsformen kann das Dichtephasengas einer Ultraviolettstrahlung (UV-Strahlung) während des Reinigungsverfahrens ausgesetzt werden, oder es kann eine Ultraschallenergie während des Reinigungsverfahrens aufgebracht werden, um das Dichtephasengas und die Substratoberfläche zu bewegen.
  • Bei einer anderen Lösung sind zur Reinigung Komponenten in einer Reinigungskammer plaziert worden, in welcher ein Druck oberhalb eines Umgebungsdrucks aufrechterhalten wird, und es wird ein Spray eines flüssigen Lösungsmittels wie flüssiges Kohlendioxid unter einem hohen Druck auf die Komponenten gerichtet, um irgendwelche verunreinigenden Teilchen davon zu entfernen. Eine derartige Lösung ist beispielsweise offenbart in den U.S. Patenten 4,832,753 und 4,936,922 von R. L. Cherry et al. Das Spray von winzigen Lösungsmitteltröpfchen arbeitet als "Fluidhammer" um sehr kleine Teilchen einer Größe im Submikrometerbereich der zu reinigenden Komponenten abzuklopfen, wobei die Teilchen in die Kammer zerstreut werden, wo sie von einem Reinigungsstrom weggetragen werden, und trockene Luft über die Komponenten und durch die Kammer fließt. Die EP 0 583 653 A1 , welche den Stand der Technik nach Art. 54(3) EPÜ bildet, offenbart ein Verfahren zum Reinigen durch Kavitation in einem verflüssigten Gas, bei welchem ein unerwünschtes Material aus einem gewählten Substrat durch ein Verfahren mit den Schritten entfernt wird: a) Plazieren des Substrats, welches das unerwünschte Material enthält, in einer Reinigungskammer, welche mit einer Kavitationserzeugungseinrichtung ausgestattet ist; (b) Einführen eines verflüssigten Gases wie flüssiges Kohlendioxid in die Reinigungskammer und Kontaktieren des Substrats, welches das unerwünschte Material enthält, mit. dem flüssigen Kohlendioxid bei einer Temperatur unter dessen kritischer Temperatur; und (c) Aussetzen des flüssigen Kohlendioxids der Kavitationserzeugungseinrichtung über eine Zeitperiode, die zum Entfernen des unerwünschten Materials aus dem Substrat hinreichend ist. Das Substrat, welches das unerwünschte Material enthält, kann optional mit Kohlendioxid in der dichten Phase vor und/oder nach der Kavitationsbehandlung kontaktiert werden, um das Entfernen des unerwünschten Materials zu unterstützen. Des weiteren kann das verwendete flüssige Kohlendioxid verarbeitet werden, um frisches flüssiges Kohlendioxid zu regenerieren, welches in der Reinigungskammer wiederverwertet wird. Andere Gase außer Kohlendioxid, wel che verwendet werden können, enthalten Distickstoffoxid, Schwefelhexafluorid und Xenon.
  • Systeme auf der Grundlage einer überkritischen Fluidreinigungstechnologie wie der Präzisionsreinigungsausrüstung SUPERSCRUBTM (Marke der Hughes Aircraft Company) enthalten typischerweise ein Druckgefäß, eine Fluidpumpe, einen Fluidbehälter, ein Separator- und Kondensorsystem und verschiedene Ventile, Wandler und Temperatursensoren. Ein Druckgefäß, welches verwendet wird, ist zur Aufnahme von Drücken bis zu 5000 psi (351,5 kg/cm2) und Temperaturen bis zu 100 °C geeignet. Diese Technologie sieht Bedingungen vor, welche erfordert werden, um die kritischen Punkte der meisten Kandidaten von superkritischen Fluids wie Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Helium, Methan, Propan, Kohlendioxyd und Distickstoffoxid zu überschreiten. Systeme dieser Natur sind aufwendig. Die Kosten derartiger Systeme sind für eine Reinigung mit hoher Präzision gerechtfertigt; jedoch für viele aus Teilchen oder organischen Stoffen bestehenden Verunreinigungen können die Kriterien des Reinigungsverfahrens oft ohne Verwendung dieser Fluids in ihrem überkritischen Zustand erfüllt werden.
  • Somit besteht ein Bedarf an einem System, welches für eine vereinfachte und verlässliche Durchführung von Reinigungsanwendungen in einem kleinen Umfang und mit geringem Aufwand geeignet ist.
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Reinigungsvorrichtung vorzusehen, welches eine vereinfachte und verlässliche Ausführung für Reinigungsanwendungen in geringem Umfang zeigt und geringe Kosten verursacht.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch die in dem unabhängigen Anspruch 1 angezeigten Maßnahmen erfüllt.
  • Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Notwendigkeit eines Kondensor- und Rückführungssystems aufgehoben wird, welche jeweils die Hauptkostenträger bei Systemen nach dem Stand der Technik darstellen. Darüber hinaus ist der Druckbemessungswert, welcher zum Reinigen der Kammer bei der Erfindung benötigt wird, relativ niedrig (d. h. kleiner als 1500psi oder kleiner als 105,4 kg/cm2), wobei die Kosten gegenüber einem typischen überkritischen Reinigungssystem wesentlich reduziert sind. Gerätekosten zur Ausführung der vorliegenden Erfindung werden auf weniger als die Hälfte der Kosten von Systemen nach dem Stand der Technik geschätzt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ebenfalls eine Anwendung einer Reinigung mit einem verflüssigbaren Fluid für Entfernungsanwendungen oder Anwendungen einer Reinigung ohne direkten Zugriff und für schnelle Verfahren, für Verfahren mit einer Beschickung einer kleinen Größe und für halbkontinuierliche Verfahren. Jedes dieser Erfordernisse wird nicht leicht mit einem derzeitigen überkritischen Fluidreinigungsgeräten erfüllt.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm, teilweise im Querschnitt, einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 zeigt ein schematisches Diagramm, teilweise im Querschnitt, einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche die Vorrichtung vor dem Füllen mit einer Reinigungsflüssigkeit (2A) und mit der Reinigungsflüssigkeit gefüllt (2B) darstellt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die typischen Geräteerfordernisse zur Verwendung von superkritischen Fluids führen in einigen Fällen zu relativ hohen Kosten. Die vorliegende Erfindung schafft eine hohe Reinigungseffizienz, ohne daß von hohen Drücken Gebrauch gemacht wird, welche üblicherweise verwendet werden, wenn Fluid in ihrem überkritischen Zustand verwendet werden.
  • Es gibt viele Fluids, welche typische Kandidaten für eine Reinigung mit verflüssigbarem Fluid in Verbindung mit Ultraschallenergie sind. Diese enthalten Stickstoff, Sauerstoff, Argon,Helium, Methan, Propan, Kohlendioxyd und Distickstoffoxid.
  • 1 und 2 zeigen zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Bei jeder Ausführungsform wird ein kleines Gefäß 10 (von 1 bis 20 Liter) verwendet, welches mit einem Deckel 10a versehen ist. Das Fluid 12 wird aus einem unter Druck stehenden Behälter 14 über Düsen 16 entlang den Gefäßwänden l0b zugeführt, welche eine Reinigungskammer 17 definieren. Ebenfalls ist das Gefäß 10 mit einem Ultraschallwandler 18 ausgestattet. Während des Betriebs wird das Gefäß durch die Düsen 16 mit einem Fluid 12 geladen. Einmal mit dem Fluid 12 geladen wird Ultraschall angewandt, um das Teil 20 endgültig zu reinigen und die letzten Spuren der Verunreinigung zu entfernen. Das Teil 20 wird in dem Gefäß durch eine Halteeinrichtung 21 gehalten. Das Fluid 12 wird aus dem Gefäß durch einen Auslaß 22 nach der Reinigung entfernt und durch Filter 24 und einen Separator 26 behandelt, um aus Einzelteilen bestehende und organische Verunreinigungen zu entfernen.
  • Während die folgende Beschreibung bezüglich der Verwendung von CO2 erfolgt, können andere verflüssigbare Fluids im Gebrauch der Erfindung verwendet werden.
  • Zwischenreinigungssystem:
  • 1 zeigt die erste Ausführungsform und stellt eine Zwischenversion der vorliegenden Erfindung dar. Die bei diesem Reinigungsverfahren verwendeten Schritte werden im folgenden dargestellt
  • (1) Laden des Gefäßes mit flüssigem CO2
  • Die zu reinigenden Teile 20 werden in dem Gefäß 10 plaziert, welches danach geschlossen wird, und es wird CO2 12 in dem Gefäß durch Düsen 16 in der Gefäßwand eingeführt. Zu Anfang wird Schnee gebildet, jedoch wird der Zustand des Fluids 12 durch die Temperatur in einem Wärmetauscher 27 gesteuert. Wenn ein Druck aufgebaut wird kondensiert CO2 als Flüssigkeit 12 unter Verwendung von Kühlspulen 28 in dem Gefäß 10. Das flüssige CO2 12 kann über oder unter dem kritischen Punkt für CO2 liegen, welcher durch den Druck und die Temperatur definiert wird. Der bei diesem Verfahren beabsichtigte maximale Druck liegt bei etwa 1000psi (70,3 kg/cm2) bei Umgebungstemperatur.
  • (2) Ultraschallanwendung in flüssigem CO2
  • Nach dem Laden des Fluids wird die Temperatur eingestellt, welche benötigt wird, um den flüssigen Zustand aufrechtzuerhalten (d. h. 25°C, 800psi oder 56,2 kg/cm2). Der Fluidpegel wird von dem Behälter 14 wie für das Eintauchen der Teile 20 verlangt von dem Behälter 14 mittels eines Pegelindikators 30 in dem Gefäß 10 eingestellt. Danach wird eine Ultraschallanwendung in dem flüssigen CO2 12 unter Verwendung eines oder mehrerer Ultraschallhörner 18 bei einer Frequenz im Bereich von 5 bis 100 Kilohertz durchgeführt.
  • Befreiung von bzw. Säuberung mit CO2
  • Die Flüssigkeit 12 wird nun mit den Heizspulen 28 auf über 32°C erhitzt. Als Option ist dieses System mit einem Monitor 29 zur Überwachung des Ablusses aus dem Gefäß versehen. Der Monitor 29 überwacht die Pegel der aus Einzelteilen bestehenden und organischen Verunreinigungen. Wenn eine wiederholte Reinigung durchgeführt wird, verringern sich die Pegel der aus Teilchen bestehenden und der organischen Verunreinigungen, bis das Teil als "sauber" angesehen wird. Die Stufen 2 und 3 werden dann wie durch das Ergebnis des Monitors bestimmt wiederholt.
  • (4) Kompression
  • Nachdem das Reinigen abgeschlossen ist, wird das Fluid 12 zurückgeführt und unter Verwendung eines Kompressors 32 in dem Behälter 14 komprimiert.
  • Bei der ersten Ausführungsform wird die Reinigungsflüssigkeit 12 zurückgeführt, es wird jedoch lediglich eine rohe Reinigung oder eine Reinigung eines "ersten Pegels" anstelle der Reinigung des hohen Pegels durchgeführt, welches von dem Präzisionsreinigungsgerät SUPERSCRUBTM nach dem Stand der Technik vorgesehen wird. Eine Partikelentfernung wird stufenweise durchgeführt, wobei in dem letzten Schritt eine Größe von bis zu lediglich 10μm vor der endgültigen Filtrierung erreicht wird, um eine Filterverstopfung und die Wartung zu minimieren. Große Partikel in der Größenordnung von 10 bis 100 μm werden vor dem Eintritt in den Separator 26 unter Verwendung eines Filters 24 herausgefiltert, um eine leichtere Wartung und einen leichteren Betrieb vorzusehen. Ein Zyklonseparator 34 wird zum Entfernen von kleinen Partikeln in der Größenordnung von 0,1 bis 10μm verwendet, wodurch sich eine weniger effiziente Trennung von organischen Verunreinigungen als bei der bekannten Filter/Demister-Lösung ergibt, es wird jedoch eine leichtere Instandhaltung und eine geringere Ausfallzeit erreicht. Der Kompressor 32 wird dazu verwendet, den Flüssigkeitsbehälter 14 zu füllen und unter Druck zu setzen. Der Druck des Behälters dient dazu, das Gefäß 10 zu füllen, wodurch der Fluidzyklus beendet wird. Diese Lösung hebt die Notwendigkeit einer Flüssigkeitspumpe und eines Kondensors auf und bietet einen einfacheren Betrieb. Jedoch ist es durch Bereitstellung eines Rückführungsvermögens möglich, die Gaszufuhr zu reinigen, um sicherzustellen, daß `geforderte Reinheitskriterien erfüllt werden. Bei dieser Ausführungsform kann der Monitor 29 verwendet werden, um durch Bestimmen, ob die Flüssigkeit 12 Teilchen und Verunreinigungen unterhalb eines vorbestimmten Pegels enthält, um zu bestimmen, ob das Teil 20 gereinigt ist.
  • Bei einer Modifizierung der obigen Vorrichtung können der Separator 26 und das Zyklon 24 unter Verwendung eines Druckredzierventils 35 stattdessen umführt werden. Das Ventil 35 gestattet es der Flüssigkeit 12, in den gasförmigen Zustand zu expandieren, worauf es durch den Kompressor 32 in den flüssigen Zustand komprimiert wird. (Es wird bevorzugt, daß der Separator 26 ein Ventil 35 enthält). Die Verwendung des Kompressors 32 in beiden Fällen stellt das Fül-len des Behälters 14 sicher. In diesem Fall kann der Monitor 29 durch Feststellen, ob die Partikel- und Verunreinigungspegel einen vorbestimmten Pegel überschreiten, zur Bestimmung verwendet werden, ob die Flüssigkeit 12 noch verwendbar ist.
  • Das verflüssigbare Gas kann mit Modifiziermitteln verwendet werden. Typischerweise wird ein geringfügiger Prozentsatz (weniger als etwa 50Vol/Vol-Prozent) eines Lösungsmittels in kondensierter Phase oder eines Modifiziermittels der Masse des komprimierten Gases hinzugefügt. Diese Modifiziermittel werden mit dem komprimierten Gas gemischt, um eine nichtentflammbare und ungiftige Mischung zu bilden. Die Modifiziermittel ändern den kritischen Punkt der Mischung derart, daß höhere Drücke (von bis zu 1500 Pfund pro Inch im Quadrat oder 105,4 kg/cm2) und Temperatu ren (bis zu etwa 50°C) verwendet werden können, wodurch eine verbesserte Ultraschallanwendung geschaffen wird. Darüber hinaus änderen die Modifiziermittel die chemischen Eigenschaften des kondensierten Gases, um die Löslichkeitseigenschaft der Mischung zu verbessern. Das verwendete Modifiziermittel hängt von der zu entferndenden Verunreinigung ab. Zur Entfernung von polaren organischen Verunreinigungen wird ein Modifiziermittel wie Isopropanol oder Atzeton verwendet. Zur Entfernung von polaren anorganischen Verunreinigungen wird bevorzugt Wasser verwendet. Zum Entfernen von nichtpolaren organischen Verunreinigungen mit niedrigem Molekulargewicht (C6 bis C18) kann ein Modifiziermittel wie Hexan verwendet werden. Zum Entfernen von nichtpolaren organischen Verunreinigungen mit hohem Molekulargewicht (>18) kann ein Modifiziermittel wie Kerosin verwendet werden.
  • Optional kann irgendein Modifiziermittel, welches auf der Oberfläche des zu reinigenden Teils 20 verbleibt, entfernt werden, worauf die Entfernung des flüssigen CO2 aus dem Gefäß durch Einführen bzw. Einleiten von CO2 in den überkritischen Zustand und Ultraschallanwendung folgen.
  • Kostengünstiges Reinigungssystem:
  • Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche in 2 dargestellt ist, ist für eine nichtaufwendige Verwendung (d. h. für eine Verwendung mit geringen Kosten) mit Erfordernissen einer unregelmäßigen, abwechselnden und kleinen Beschickungsgröße beabsichtigt und wenn scharfe Reinheitskriterien für die Zufuhr des Fluids 12 nicht verlangt werden. Diese Ausführungsform stellt das bloße Minimum einer Reinigung mit verflüssigbaren Fluid dar und bietet bezüglich eines einfachen, flexiblen und kostengünstigen Betriebs das äußerste. Die in diesem Verfahren verwendeten Schritte sind:
  • (1) Laden des Gefäßes mit flüssigem CO2
  • Die zu reinigenden Teile 20 werden in dem Gefäß 10 plaziert, welches danach geschlossen wird, und es wird CO2 12 in das Gefäß durch Düsen 16 in der Gefäßwand eingeführt. Zu Anfang wird Schnee gebildet, welches jedoch zur Füllung des Gefäßes durch die Flüssigkeit 12 ersetzt wird. Wie oben beschrieben wird der physikalische Zustand des Fluids durch die Temperatur unter Verwendung eines Wärmetauschers 36 gesteuert.
  • (2) Ultraschallanwendung in dem flüssigen CO2
  • Eine endgültige Reinigung wird wie oben beschrieben durch Anwendung von Ultraschall erreicht. 2 stellt das flüssige C02 12 dar, welches das Gefäß 10 füllt.
  • (3) Entlüftung
  • Nach der Ultraschallanwendung wird das Fluid 12 durch einen Separator 38 entgast bzw. ventiliert, um die organischen und aus Partikeln bestehenden Verunreinigungen zu entfernen. Vor dem Ventilieren durch den Separator 38 werden große Partikel (10 bis 100 μm) durch einen Filter 40 in dem Boden des Gefäßes 10 entfernt.
  • Bei der zweiten Ausführungsform wird ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform ebenfalls Fluid 12 in das Gefäß 10 durch innere Düsen 16 zugeführt. Jedoch wird bei der zweiten Ausführungsform das Fluid 12 nicht zurückgeführt, sondern es entweicht in die Atmosphäre durch einen Auslaß 42 nach dem Entfernen von aus Partikeln bestehenden und organischen Verunreinigungen in dem Separator 38.
  • Das Unterdrucksetzen des Gefäßes 10 wird mit einem Behälter- oder Zylinderdruck aus der CO2-Zufuhrquelle 44 lediglich erreicht. Der Druck wird durch Aufheizen des C02 in dem Behälter 44 mittels einer Heizvorrichtung 46 erhöht.
  • Typischerweise wird die Temperatur des CO2 bei etwa 30°C gehalten, wobei ein Druck von etwa 1000psi (70,3 kg/cm2) erzeugt wird. Dadurch wird die Notwendigkeit eines Behälters 14 (wie in 1) dargestellt und einer Pumpe aufgehoben, und das Erfordernis des oberen Drucks des Systems reduziert, wodurch sich ein einfacheres und kostengünstigeres Gerät zur Durchführung des Verfahrens ergibt. Jedoch begrenzt diese Lösung das Verfahren auf unterkritische Bedinungen, was bedeutet, daß die Reinigungsvorteile des überkritischen Zustands nicht verwendet werden können. Bei dieser Ausführungsform wird die Reinigungseffizienz in flüssigem CO2 12 durch die Verwendung von Ultraschall optimiert, wodurch die Mängel der Reinigungseffizienz bei der Verwendung der weniger leistungsfähigen Lösungsmittel überwunden werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf viele Verfahren anwendbar, welche verflüssigbare Fluids für eine Präzisionsreinigung, Extrahierungen, Partikelentfernung und -befreiung umfassen. Beispielhafte Anwendungen beinhalten eine Reinigung während der Herstellung von Kontaktlinsen, Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, Motorblöcken, Uhren, kleinen elektrischen Anwendungen und Rasierklingen, Lagerentfettung bzw. -befreiung und von Motorreparaturwerkstätten.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zur Entfernung unerwünschter Teilchen und Verunreinigungen von einer Hauptoberfläche eines gewählten Substrats (20) mit: (a) einer in einem umwandeten Gefäß (10) enthaltenen Reinigungskammer (17) zur Aufnahme einer aus einem verflüssigbaren Gas (12) gewonnenen Flüssigkeit (12') und des Substrats (20), welches die unerwünschten Teilchen und Verunreinigungen enthält, wobei das umwandete Gefäß (10) angepaßt ist, einem maximalen Druck von etwa 1.500 Pfund pro Quadratinch (105,4 kg/cm2) bei Umgebungstemperatur zu widerstehen; (b) einer Einrichtung (21) zum Halten des Substrats in der Reinigungskammer, wobei das Substrat (20) in die Flüssigkeit (12') eingetaucht wird; (c) einer Ultraschallenergieerzeugungswandlereinrichtung (18), welche an dem umwandeten Gefäß (10) innerhalb der Reinigungskammer (17) befestigt ist und zum Aufbringen von Ultraschallenergie auf die Flüssigkeit (12') betriebsfähig ist; (d) einer Einlaßeinrichtung (16), die an dem umwandeten Gefäß (10) befestigt ist, zum Einführen des verflüssigbaren Gases (12) in die Reinigungskammer (17) unter einem Druck, der kleiner ist als etwa 900 Pfund pro Quadratinch (63,3 kg/cm2); (e) einer Temperatursteuereinrichtung (27), welche mit der Reinigungskammer (17) verbunden ist, zum Steuern der Temperatur innerhalb der Kammer (17) auf bis zu etwa 50°C; (f) einer Einrichtung (28), welche innerhalb des umwandeten Gefäßes (10) lokalisiert ist, zum Umwandeln des verflüssigbaren Gases (12) in die Flüssigkeit (12'); (g) einer Auslaßeinrichtung (22) in der Reinigungskammer (17) zum Entfernen der Flüssigkeit (12') aus der Reinigungskammer (17); (h) einem Behälter (14, 44) zum Bereitstellen des verflüssigbaren Gases (12) der Einlaßeinrichtung (16) unter Druck; und (i) einem Wärmetauscher (27, 36), welcher zwischen dem Behälter (14, 44) und der Einlaßeinrichtung (16) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Filtereinrichtung (24, 40) zum Entfernen der Teilchen aus der Flüssigkeit (12'), wobei die Filtereinrichtung (24, 40) mit der Auslaßeinrichtung (22) verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein geschlossenes Rückführungssystem mit der Filtereinrichtung (24) aufweist, welche mit der Auslaßeinrichtung (22) verbunden ist, zum Entfernen von Teilchen in der Größenordnung von 10 bis 100 μm aus der Flüssigkeit (12') nach dem Entfernen aus der Reinigungskammer (17), wobei die Einrichtung zum Bereitstellen der Flüssigkeit aus dem verflüssigbaren Gas (12) einen Kompressor (32) zwischen der Filtereinrichtung (24) und dem Behälter (14) aufweist zum Sicherstellen, daß das verflüssigbare Gas (12) sich in dem Flüssigkeitszustand (12') befindet, wobei der Wärmetauscher (27; 36) zum Steuern der Temperatur der Flüssigkeit (12) vor dem Einführen in die Reinigungskammer (17) vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Druckreduzierungsventil (35) zwischen der Filtereinrichtung (24) und dem Kompressor (32) zum Umwandeln der gefilterten Flüssigkeit (12') in den gasförmigen Zustand (12).
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch (a) eine Trenneinrichtung (26), welche auf die Filtereinrichtung (24) folgt und vor dem Kompressor (32) angeordnet ist, (1) zum Entfernen von Teilchen in der Größenordnung von 0,1 bis 1 μm und einem organischen Stoff aus der Flüssigkeit und (2) zum Umwandeln der gefilterten Flüssigkeit (12') in den gasförmigen Zustand (12), und (b) einen Zyklon (34) zum Entfernen von kleinen Teilchen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinrichtung (29) zum Überwachen der Pegel von Teilchen und organischen Verunreinigungen, wobei die Überwachungseinrichtung mit der Auslaßeinrichtung (22) zum Überwachen der Flüssigkeit (12') nach dem Entfernen davon aus der Reinigungskammer (17) verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Entlüftungssystem, wobei die Filtereinrichtung (40) mit der Auslaßeinrichtung (22) verbunden ist, zum Entfernen von Teilchen in der Größenordnung von 10 bis 100 μm aus der Flüssigkeit (12') vor dem Entfernen aus der Reinigungskammer (17).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Trenneinrichtung (38), welche mit der Auslaßeinrichtung (22) verbunden ist, zum Entfernen von Teilchen in der Größenordnung von 0,1 bis 1 μm aus der Flüssigkeit (12'), und welche auf den Durchgang der Flüssigkeit (12') durch den Filter (40) folgt und vor der Entlüftungseinrichtung angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung (46) innerhalb des Behälters (44) zum Erwärmen des darin enthaltenen verflüssigbaren Gases (12).
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