一种用于气体或液体的过滤、分离、纯化或用于催化转换过程的组件的制作方法

专利名称：一种用于气体或液体的过滤、分离、纯化或用于催化转换过程的组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于气体或液体的过滤、分离、纯化或用于催化转换的组件，它包括有在一外壳中的至少一个用于纯化的刚性处理元件，或是具有一个用于过滤、分离或是催化转换的膜片。这种组件可适用于对液体的过滤、分离或纯化，且特别适用于对诸如在半导体制造过程中所使用的气体的过滤或纯化。
这种类型的组件包含有-一个通常为圆柱形的金属外套或称外壳，它可只含有一个部件，亦可含有可通过熔融金属固接而组装在一起的若干个部件;
-一个或多个刚性处理元件，它可呈如美国专利US-4069157中所描述的管形或多通道型，亦可呈如美国专利US-4781831中所描述的蜂窝型。
在用于过滤或纯化气体，特别是那种在半导体制造过程中所使用的气体的应用场合，该总装的组件必须能够承受-在使用中(例如在热循环和除气过程中)所出现的热应力，-在耐压过程中，比如说在处理处在几百巴压力下的气体时所出现的机械应力，-由所处理的流体所产生的腐蚀，该流体可能是，比如说HCL、氯、溴或其它在制备集成电路时，特别是在其蚀刻过程中所使用的腐蚀性气体。
此外，为满足电子工业对超净生产线的要求，该组件决不应从中会掉下有污染的颗粒。
这种组件应能在从室温至几百摄氏度的温度范围内正常工作，且无论是在用于处理流体时还是清理或更新一个或多个处理元件时都应能保持其性能。由于温度变化的影响，在元件和外壳间会出现膨胀差，且当处理元件的长度为米数量级时，该数值可达几个毫米。因此，元件与外壳间的连接必须具有足够的挠性，以便能以适当方式产生变形以补偿这一膨胀差。
在某些公知的装置中，元件与外壳间的连接是利用诸如聚四氟乙烯(PTFE)、三元乙丙橡胶(EPDM)、有机硅树脂等等的聚合物或合成橡胶的垫圈来实现的。在这种情况下，垫圈的弹性被用于补偿元件与外壳间在膨胀过程中出现的差。
由于聚合物或合成橡胶会产生物理-化学的和机械的老化这一明显原因，这种解决方案并不适用于高温。而且，这些材料还会随时间产生老化和塑性变形。
其一个或多个元件与外壳间的连接是通过位于元件端部的一个或多个金属零件或是环箍来实现的这样一些组件，也是公知的。这些部件中的每一个均可利用铜焊或利用玻璃(或珐琅)牢固地固接到金属外套和一个处理元件的端部上。这种解决方案亦存在有许多问题。
首先，铜焊通常不能对诸如HCL、氯、溴等等气体产生良好的抗腐蚀性，而这些气体在蚀刻集成电路的过程中是确实存在的。
其次，具有良好抗腐蚀性能的种种玻璃，通常在其组成中不含有可在低温下熔融的成份。即这些玻璃仅在高温下熔融。若利用这些玻璃对组件进行总装，则要求该组件总装时的温度上升为某一较高温度。由于存在着会损坏处理元件(过滤层、催化剂等等)或制环箍用的金属的危险，因而这并不总是可行的。而且，为了在玻璃与外壳或环箍的金属之间实现良好的结合，通常需要首先氧化金属表面，而这是与，比如说，在半导体制造的应用场合所采用的超净生产线不能相容的。因为它需要用巨大的加热装置和复杂的方法，因而这种玻璃处理方案的费用也相当高。
本发明的目的是提供一种可用于高温而没有腐蚀危险的、且还具有能抵抗由作用在其上的热、机械或化学作用所产生的应力的性能的过滤器组件。
本发明提供了一种可用于气体或液体的过滤、分离、纯化或催化转换的过滤器组件，它包括-一个大体上为圆柱形的金属外套或外壳，-至少一个刚性处理元件，它是用由陶瓷、石墨、烧结玻璃和烧结金属中所选择出的致密性的或多孔性的材料制造的，且其至少一端是大体上呈圆柱形的，其轴线平行于外套的轴线，-至少一个呈可弹性变形的环箍形金属部件，其首先被固定到外壳上，然后再被连接到所述元件的所述端部上。
该组件的特征在于，在所述环箍与所述元件的所述端部之间的连接是利用热的或机械的箍装方式实现的，所述环箍被箍装到所述端部上，或是相反(即逆向箍装)。
该箍装方式是将一个其内径小于所要被箍装的零部件的外径的环箍套装到该零部件上的方式，其差值称为收缩容许量。这种利用箍装或热套冷缩适配的连接方式所具有的优点是，它不需用任何有机的或无机的粘接介质。
若举例来说，热箍适配方式是将一个元件套到已加热了的环箍中。若举例来说，机械箍装适配方式或称强制适配方式是借助于压力将冷态的元件强制压入环箍中。
通过热箍装方式将元件装在环箍中的优点是，只要组件的使用温度维持在低于金属的应力松弛温度(即低于该温度时金属可维持其弹性)且低于金属和元件端部的热膨胀会消除其收缩容许量的温度(如果有这样一个温度的话)，就能保证其夹紧作用的存在。
环箍在元件的基本上为圆柱形表面上有一个径向夹紧力。这一夹紧力相当大，以致于在环箍与元件间不可能有相对运动。该力的大小还与圆柱形区域的宽度有关。该径向夹紧力能够通过改变环箍与处理元件间的接触区域的宽度来加以调节;在不改变环箍的纵向挠性的情况下，接触区域越宽，夹紧作用就越大。
在环箍与元件间的这种连接不会产生环箍与元件间的相对运动。实际上，任何摩擦移动都会产生颗粒。本发明的一个目的就是要使该种组件能够用于处理极纯的流体，而不会引入杂质，特别是在流体流经颗粒产生区域时也是如此。
在一个变形方案中，所述元件和所述环箍间的连接是通过机械箍装适配方式或是Morse锥角型的强制适配方式实现的。这是将其端部形状具有轻微锥度，如像Morse锥角(锥度值≤5%)的活性元件连接到具有相同形状的环箍上。
所述的环箍最好是可弹性变形的，以便其能在平行于组件纵向轴线的方向上轻微变形，就象一个波纹管那样。在处理元件是由具有机械脆性的材料(如陶瓷、玻璃、石墨等)构成的情况下，若装配这种波纹管状的环箍，可借助于环箍的弹性来保护该元件免于受到外壳受到冲撞时所可能带来的损坏。
所述环箍可由从下述材料中选择出的一种材料创造，其中包括不锈钢、PECHINEY公司的TA6v型钛合金，IMPHY公司的N42或Dilver(P0或P1)型富镍合金、或是WESTINGHOUSE公司的Kovar，或是登记商标为“HASTELLOY”的一种公知的合金等等。之所以选择这些合金，是因为它们具有良好的膨胀系数、高应力松弛温度以及耐腐蚀性能。
在第一实施例中，所述环箍是通过焊接被固定到所述外壳上的，且是将所述环箍的外缘装入到在所述外壳壁上机加工出的部分中，并对所述外壳的壁以及所述环箍的外缘进行局部熔化，而在所述外壳的内表面不会产生金属熔融过的区域。
最好通过TIG(钨在惰性气体中)焊接对环箍与外壳的一个或几个部件进行组装。钨电极与所要焊接的元件组装体，可通过围绕着所要组装的外壳的轴线的旋转运动而彼此相对运动，这就能相对于壁厚(5毫米至7毫米)对熔融区域的深度(4毫米数量级)进行控制，并得到一个较宽的焊接接缝(大约为0.5毫米)。
在第二实施例中，所述环箍亦是通过焊接被固定到所述外壳上的，且是将所述环箍的外缘装入到在所述外壳壁上机加工出的部分中，但它仅对所述外壳的壁进行局部熔化，并不熔融所述环箍的外缘。它是利用被熔融区域的收缩作用而夹紧所述外缘的，故在所述外壳的内表面中亦不会产生金属熔融过的区域。
利用焊接区域的收缩夹紧作用，可以确保外壳与环箍之间的连接，该连接在机械性能上是非常结实的，并且是绝对不会被渗透的。
这种方法所具有的优点包括，在组装组件时，假如有两个环箍，进行两次焊接就足够了;假如只有一个环箍，可仅焊接一次。
根据本发明构造的组件的一个优点是，它的组装是以其连接处是密封的方式来实现的。这可用于环箍与外壳间的连接，也可用于环箍与元件(或其端部)间的连接，这种连接是密封的，且可以利用在各部件的尺寸上的狭小的配合公差，也可利用其表面的低粗糙度来实现。
环箍与外壳间的连接还可以通过辊压方式或是通过将外壳箍装到环箍上的方式来实现。
在一个变形方案中，所述元件的至少一个端部是通过被固定到所述元件上的一个连接件而与所述环箍相连接的，所述连接件基本上是圆柱形的，且可用根据所述连接件的功能需要从多孔或致密材料中选择出的材料构成。
在下述情况下应采用连接件-当处理元件的端部不能直接与组件的输出开孔相连通时，即因为该元件被实芯的连接件完全密闭时，或是因为该元件要被局部封闭，以便为通过侧壁的流体产生一个优选流通通道，并且，比如说，使用的是一个微孔型连接件时，或是要与元件的内部形状相适配，以便可借助于一个管状连接件将内部通道和组件的一个外部输入或输出开孔相连通时。
-当元件的机械特性不适于进行箍装适配时那么可用致密的或多孔的、具有足够的机械强度以便能进行箍装的材料构成连接件，且该材料可具有与元件的机械特性相同的或是不同的特性。
-当元件的外侧形状不适于进行箍装操作时在这种情况下，可使连接件具有与环箍的形状相适应的带有轻微锥度的或圆柱形的部份。
将连接件固定在处理元件上的连接方式，或是不利用任何粘接材料(热箍适配、强制适配、辊压适配等等)，或是借助于在高温下才熔化的珐琅或玻璃。在这种情况下，可以使用玻璃而不损坏该元件，若举例来说，其原因是元件与连接件间的连接通常发生在元件支承件被用膜片或催化材料盖覆之前。仅仅高温玻璃才具有的特性使得它适合于高温运行，而没有被污染的危险，并且能够承受作用在组件上的热、机械和化学作用所产生的应力。
在一个实施例中，所述元件还含有能与所要处理的流体中的某些成分(例如杂质)起化学反应以便固着或中和这些杂质的化学物。
在一第一实施例中，所述组件包含一个具有杀菌型膜片的多通道处理元件，它具有疏水性表面，且平均微孔直径小于或等于0.8微米。
在一第二实施例中，所述组件包含一个由多孔材料构成的处理元件，该元件在具有与所述元件相同性质的致密材料的每一端部处适配有一个连接件，所述连接件利用箍装方式连接到由各种高镍合金中选择出的一种合金制成的环箍上，并且所述环箍被焊接到不锈钢制的所述外壳上，其内部是经电子抛光的。
在一第三实施例中，所述组件包含一个由蜂窝型和多通道型中选择出的材料制成的处理元件，在其致密材料部分上盖覆有一种催化材料。
根据本发明提出的一种组件所具有的优点是，它适合于在大温度范围下，特别是在高温下(几百摄氏度)，且具有或不具有热循环的场合下使用。所具有的其它优点是，它不具有任何易于因随时间流逝或在使用条件下所产生的热、机械或化学应力的作用下发生离析的有机的或是无机的粘接介质。
本发明的组件的另一个优点是，它的内层表面未采用往往会固着然后又释放出各种会带来麻烦的杂质的材料，比如说，这些杂质为有机物质、水蒸汽或固态的微小颗粒，它们可能会包含在所要处理的气体中。在要用该组件处理很纯的气体的场合，这个优点在使用中是特别有价值的。
本发明的组件适合于应用在电子、化学、制药和食品工业中的很多场合。
本发明的其它特征和优点通过下面的介绍以及通过阅读以例举而非限定方式给出的实例和在附图中给出的实例，将会变得更为清晰。


图1以示意方式示出了本发明的一个组件;
图2是图1所示组件的外壳-环箍-元件连接部分的放大图;
图3示出了在焊接之前图1所示组件的环箍与外壳各部分间的位置关系;
图4示出了在焊接之后与图3所示相同的各部分的位置关系;
与图4相类似，图5示出了一种变形方案的在焊接之后与图3所示相同的各部分的位置关系;
与图2相类似，图6和图7示出了外壳-环箍-元件间连接的两种变型方案;
图8示出了采用正交流动过滤原理的本发明的分离组件的一个变型实施例;
图9示出了图8所示的外壳-环箍-元件间连接的一种变型方案;
图10和图11示出了本发明的其处理元件包含有反应组份的气体纯化组件的两个变型实施例;
图12a示出了采用两个环箍时的环箍-元件间连接的放大视图;
图12b示出了仅采用一个环箍时的环箍-元件间连接的放大视图;
图13a示出了逆向环箍适配的环箍-元件间的连接;
图13b示出了逆向环箍适配的环箍-元件间的连接的另一种变型方案;
图14示意性地示出了利用Morse锥度的强制适配的环箍-元件间的连接。
图1示出了具有根据本发明构造的刚性元件的一过滤器组件，它包括-一个圆柱形外壳13，它是由若干个部件1、2和3通过焊接而组装成的;
-一个管形处理元件4，它具有一个利用疏松多孔管壁18界定的内部通道16。在该元件的两端14和15设置有具有圆柱形部分9的连接件5和8。连接件5是实心的且封闭着元件4的内部通道16，而连接件8在沿内部通道轴线方向上具有一个开孔17;
-两个金属部件或称环箍6和7，根据本发明，这些部件中的每一个首先要利用箍装方式刚性地固定到该处理元件的连接件5和8上，然后再通过焊接方式固定到外壳13上。两个环箍中的一个6具有可使流体流过的开口10。
所要处理的流体可经由位于通道16轴线上的且位于组件的每一端部处的开孔11和12而被输入和输出。
在这种类型的组件中，所要处理的流体的流动是从处理元件4的外部侧向表面流向通道16的内表面。该流体的流动以如下方式进行流体经位于组件端部处的开孔12流入组件，流经环箍6中的开孔10，再沿元件4的外部侧向表面流动，它穿过元件4的壁18，再经内部通道16流向元件4的端部14，经开孔17以及在组件另一端部处的开孔11流去。
图2是图1中所示的外壳-环箍-处理元件间的连接的放大图。处理元件4包含一个其端部15适配有连接件5的中央活性部分。环箍6通过箍装方式卡装在连接件5的圆柱形部分9上。环箍-外壳间的连接，位于在外壳13的内侧表面上，且位于部件2和3的连接处。
可按照下述方式(参阅图3和图4)将环箍6固定到外壳13上。图3示出了在焊接之前各部件的状态，即可以通过在外壳13的两部件2和3上用机加工形成凹槽19的方式，来将环箍6的外侧边缘GEFH部分嵌入其中，并使其与之精确配合。
可如图4所示，通过仅熔融外壳13的部件2和3的部分厚度以及环箍6的外部边缘EF的方式，从外侧进行焊接。被熔融过的区域用JMNK来示出。
被熔融区域的固化会伴随收缩，从而会牢牢卡紧环箍6的边缘，这时环箍6的厚度MN或PQ会变得稍小于其初始厚度EF或GH。由于焊接点的收缩所产生的夹紧作用，可确保外壳13与环箍6之间的连接在机械性能方面是非常牢固的，并且是绝对不会被渗透的。
以这种方式实现的环箍-外壳间的连接，可使在焊接过程中被熔融过的金属的自由表面不会出现在外壳13的内侧。对于内侧，这种方式具有两方面的优点，即可防止在这一操作过程中和在最后的除去所麋集的颗粒的过程中的金属颗粒的溅出，并可防止在操作过程中在焊接点的周围区域的由于蒸发的金属的凝结而产生的表面状态的改变。而且，该方法还可将熔融区域限制在外壳13的壁的外表部分，比如说若总壁厚为5-7毫米，则它可为大约4毫米。
在外壳13的内表面必须具有某些特性(如表面是电子抛光的、钝化的、敷铬的等等)的情况下，可以在焊接之前在各部件上实施这些处理。这样，在焊接之后的外壳13的整个内表面上，仍将具有这些特性，而对于利用不包含环箍6的其它工艺进行组装的已知的组件，其外壳在内表面中将具有一个由先熔融再固化的金属形成的带。除处理元件4之外，该组件的其它部件均能够以适当方式制作，以在采用金属零部件的情况下，使组件的所有内表面均是为不溅出固体颗粒而被电子抛光的或被抛光的，或是为防腐蚀而被纯化的。
在组件的一个最佳实施例中-外壳13是由经内侧电子抛光的316L型不锈钢制作的;
-气体过滤器型的单管式处理元件的长度为2-20厘米，它是由铝层涂复的、平均孔径为0.1微米(SCT中的Membralox P19-40)的陶瓷(刚玉，Al2O3)制成的，并在两端部分别包括有由借助于玻璃粘接的致密的刚玉构成的连接件5和8;
-呈波纹管形的环箍6和7中的每一个均是由含有41%的镍和59%的铁(IMPHY公司的N42)的合金制成的，并且按与图2所示的相类似的方式焊接到外壳13上。
其主要特征在于＊陶瓷连接件的圆柱形座部分的外径22.084±0.002毫米，
＊刚玉的膨胀系数7.10-6/℃陶瓷在圆柱形部分的表面上的表面粗糙度Ra＝1.1微米至1.3微米(Ra为表面上微粒的算术平均间距)，＊圆柱形部分的宽度3毫米，＊刚玉连接件的组装温度20℃＊在组装到圆柱形部分上之前的N42制作的环箍的冷态内径22.050±0.003毫米，＊在组装时由N42制作的环箍的热态内径22.090毫米，＊环箍的圆柱形部分的表面粗糙度Ra＝1.75微米，＊合金N42的膨胀系数5.10-6/℃＊合金N42的应力松弛温度高于500℃＊环箍的组装温度350℃＊组件的运行温度大约为450℃，＊外壳的圆柱形部分的内径43毫米，＊外壳的圆柱形部分的外径53毫米，＊焊接前环箍的外径44.6毫米。
外壳13的部件2和3与环箍6间可按照图3所示方式通过焊接来组装，其中GE＝HF＝0.8毫米，EF＝GH＝0.45毫米。在焊接之后(如图4所示)，这些数值变为PM＝QN＝0.6毫米，MN＝PQ＝0.37毫米。
该组件已经过鉴定测试，其结果如下＊在20℃时将环箍从连接件上分离开的力3700牛顿;
＊空气泄漏测试使外壳的内部处于真空状态，组件经受在20℃和400℃之间的热循环50次，有在热循环之前5.10-6atm、cm3、S-1在热循环之后6.10-7atm、cm3、S-1即在热循环之前和之后的泄漏数值间的差值是不明显的。
＊颗粒阻挡抑制测试测量是通过对凝结区的颗粒进行计数来实施的(TISA公司的CNC型3022)在过滤器中的空气流量为9立方厘米/秒的条件下，在持续时间为5分钟的测试过程中没有大于0.01微米的颗粒通过。
如图1所示的本发明的组件可被有效地用于-气体过滤器，特别是用于腐蚀性气体的过滤器，或是用于在制造半导体特别是集成电路过程中所用的液体的过滤器;
-气体或液体的纯化器;
-大尺寸的、包含几个长度为米数量级的元件的气体分离器、纯化器或过滤器;
-可使得在发酵容器中的液体上方的气体与外部大气之间能够形成对微生物来说是密封的连通用发酵通风道。在这种情况下，活性元件应为多通道型的且膜片应是消毒型的(平均孔径≤0.8微米);它最好应具有一个疏水性的表面以避免妨碍气体流动的水蒸汽的凝结;
-在微孔中包含有滞留的化学媒剂式催化剂的、适于处理流过微孔的气体或液体的多孔器具，这些气体式液体将与化学媒剂或催化剂起反应，故它特别适于纯化气体或液体。
这些过滤器或多孔元件也可以是膜片类型的，例如可由一个粗孔的承载体及一层或多层细孔隙层组成。
图5示出了外壳-环箍间连接的另一种变型方案。即可通过仅熔融外壳13的部件2和3厚度的一部分而不熔融环箍6的外部边缘EF的任何区域的方式从外侧进行焊接。被熔融过的区域用JKL示出。由于熔融区域的收缩会在部分19处产生束紧作用，从而会使环箍因这一卡紧作用而被保持住。
图6和图7示出了环箍-外壳间的连接的其它变型方案。
在第一变型方案中，环箍66被焊接到外壳613的横向表面上，且连接点位于组件端部处的部件62和63的结合处(参见图6)。
在第二变型方案中，环箍76被焊接到外壳713的横向表面与侧向表面的交汇处，且连接点亦位于部件72与73的结合处(参见图7)。
图8示出了一个包含有处理元件84的组件，该处理元件具有由壁818界定的内部通道816，且每一端部814和815分别连接到环箍87、86上。环箍86和87是直接箍装到处理元件84的圆柱形部分89上的。环箍86和87被分别在沿组件轴线方向上的输入开孔811和输出开孔812的区域中焊接到外壳的横向表面上。而且，外壳813在其侧面上还具有一输出开孔800。
这种类型的组件根据正交流动过滤的原理工作。流体如图8中的箭头所示流过该通道。即所要处理的流体流过与元件84的端部814相连通的开孔811进入组件，并流入其表面盖复有或浸渍有分离膜片的内部通道816。流体将分为两股。流体的一部分取如下通道正交流过元件84的内部通道816的内表面，在膜片处进行交换后流过元件84的壁818，再沿元件84的外部侧表面流动，经过外壳813壁上的开孔800而流出。另一部分流体流向元件84的另一端815，并通过开孔812而离开该组件。
该处理元件84为由多孔石墨(carbon)构成的圆柱形，并盖复有微孔膜片(平均孔径1毫微米)。元件的每一端部814和815均盖复有玻璃态的石墨并分别通过箍装方式与环箍87和86相适配。呈波纹管形的环箍86和87是由PECHINEY生产的TA6v型钛合金并辅以6%的铝和4%的钒制作的。选择这种材料是因为它的良好的热-机械特性以及在不含NaCl的介质中具有的良好的抗腐蚀性能。外壳13具有与其相同的组份，从而解决了抗腐蚀问题且易于通过焊接进行环箍与外壳间的组装。
每一个环箍以及该元件的主要特性包括＊在20℃时元件的圆柱型玻璃态的石墨部分的外径32.000±0.003毫米＊石墨的膨胀系数5.10-6/℃＊精制后的圆柱型玻璃态的石墨部分的表面粗糙度Ra＝0.2微米＊玻璃态的石墨制圆柱型部分的宽度4毫米＊玻璃态的石墨部分的端部的组装温度20℃＊在20℃时由TA6v制的环箍的圆柱型部分的内径31.930±0.003毫米＊在组装之前环箍的圆柱型部分的表面粗糙度Ra＝0.5微米＊TA6v合金的膨胀系数10.10-6/℃＊弹性极限900兆帕＊应力松弛温度730℃＊环箍的组装温度270℃
这种连接方式的主要特性包括＊在20℃外壳-环箍连接处的分离力大于5000牛顿＊使用时的最高温度400℃，超过这一温度时，卡紧力将不足以获得在密封和机械强度方面所需的功能。
这种在与膜片烧结温度相比要低的温度下进行箍装适配的连接方式所具有的优点是，盖复着该元件的各薄层或各膜片不会产生任何变型。当采用诸如斯库普(Schoop)法喷镀金属或陶瓷喷射型等等的喷射熔融材料的工艺时，因为由火焰所产生的热传输就往往会产生这种变形。
使用这种类型的组件能够构成用于分离气体或液体的膜片式分离器。循照正交流动过滤原理，这种组件更特别适用于在超邻界的温度和压力的范围内(大约230℃和大约25巴)，由燃料或残油中提取重沥青烯。循照同一正交流动过滤原理，利用0.2微米膜片盖复着的元件，该组件可同样有效地用于再生催化技术中。运行的温度和压力条件可比上述情况为高。
图9示出了外壳-环箍-元件间连接的另一种变型方案，其组装是通过将环箍96箍装适配在处于处理元件94的端部915的圆柱形部分99上来实施的。在沿组件轴线方向上的开孔912的区域内，环箍96本身被直接焊接到部件92上，以形成为外壳913的横向表面。
在图9所示的连接方式的另一些变型方案中，还可在外壳的横向表面处的开孔912的区域内，将环箍96连接到外壳913上，而外壳和几个处理元件间的组装还可以按下述方式实施，即可通过将环箍装在与该组件端部所适配的连接件上，这些环箍本身可被焊接到或辊制到已被穿孔的、用作外壳中的横向隔板的平板上。这种连接方式亦可以被应用到包含几个长度为米数量级的元件的大尺寸的气体分离器，纯化器或过滤器中。
图10中示出了一个气体纯化器，它包含一个具有多孔的壁118的管形元件104，其内部通道116含有可与气体中的某些不纯物质起化学反应以固着或中和这些物质的化合物。元件104的每一端部114和115都包含有一个圆柱形部份109，在各部份以箍装方式适配有呈Hastelloy(耐盐酸镍基合金)C22波纹管形的环箍107和106。环箍107具有一个作为气体通道的开孔119。环箍106和107本身被焊接到用相同的C22材料制成的外壳113上。沿组件的轴线方向，形成有一个气体输入开孔112和一个气体输出开孔111。气体在组件中的流动如箭头所示。
在根据本发明的组件构成的这一变型方案中，所要处理的气体经过开孔112进入组件，流经位于元件104的内部通道116中的反应材料100，穿过元件104的多孔的壁118，然后直接地或在取道开孔119并通过环箍107之后，流经开孔111而离开该组件。
每一环箍及该元件的主要特性在于＊元件微孔的平均直径12微米＊元件的圆柱形部分的外径32.000±0.003毫米＊刚玉的膨胀系数7.10-6/℃＊圆柱型部分的表面粗糙度Ra＝0.8微米＊圆柱型部分的宽度5毫米＊陶瓷元件的组装温度20℃
＊HastelloyC22制的环箍在20℃时的内径31.910±0.003毫米＊组装前环箍的圆柱型部分的表面粗糙度Ra＝0.4微米＊C22的膨胀系数14.10-6/℃＊环箍的组装温度150℃＊使用温度350℃，超过该温度时卡紧力将变得不足。
图11示出了具有另一种构成方式的气体纯化器。反应性的化合物500位于多孔元件504的外侧，该元件为具有多孔的壁518以及内部通道516的中空的圆柱形。元件504的每一端部514和515分别与各自的连接件508、505相适配。连接件505可用来塞住通道516，而连接件508具有一个开孔517，使得通道516可与沿组件轴线方向上的输出开孔511相连通。组件的输入口是开孔512，它也位于组件轴线上但位于另一端。每一个连接件505和508都具有一个可将环箍506、507分别箍装适配到该部分上的圆柱形部分509。环箍506具有可使气体通过的开孔。在部件51和53以及在部件51和53之间的连接处，环箍506和507被分别焊接到外壳513的横向表面上。
在这种情况下，所要处理的气体通过组件的开孔512流入组件，经开孔510而穿过环箍506，流经位于由处理元件504与外壳513间分离出的空间50中的反应介质500，再经元件504的多孔壁518流入元件504的内部通道516，然后经与组件输出开孔511相连通的连接件508上的开孔517而流去。
该处理元件504是多孔的陶瓷，连接件505和508是致密的陶瓷，环箍506和507是由HastelloyC22制作的。外壳513由与环箍506和507相同的材料制成。该组件还包含有反应物质500，后者由盖复有铂的刚玉颗粒构成，并配置在元件504与外壳513之间的空间里。
每一环箍及该元件的主要特性包括＊在20℃时元件的圆柱形部分的外径20.000±0.003毫米＊刚玉的膨胀系数7.10-6/℃＊陶瓷圆柱形部分的表面粗糙度Ra＝0.15微米＊圆柱形部分的宽度5毫米＊陶瓷连接件的组装温度20℃＊在20℃时环箍的圆柱形部分的内径19.940±0.003毫米＊组装前环箍的圆柱形部分的表面粗糙度Ra＝0.25微米＊C22的膨胀系数14.10-6/℃＊圆柱形部分的宽度5毫米＊环箍的组装温度250℃这种连接方式的主要特性包括＊在20℃时连接件-环箍间连接的分离力大于5000牛顿＊使用温度350℃，超过该温度时卡紧力将变得不足。
采用多孔膜片以保持催化剂层的这样一种分离组件，可以用于气体的催化反应，比如说在大约260℃下进行的苯的氢化反应，在该温度下转换的数量级为100%。
图12a和图12b示出了仅在元件24的一端214带有连接件28的环箍-元件间连接的放大视图。
在图12a中，元件24连接有两个环箍26和27，其中的一个环箍26被直接箍装在元件24的端部215上，而另一个环箍27被箍装在与元件24的端部214相适配的连接件28上。
在图12b中，一单一的环箍26被直接箍装在元件24的端部215上。
图13a和13b分别示出了根据两个变型实施方案提出的、采用逆向箍装适配的环箍-元件间的连接。
在图13a中，位于元件34每一端部314和315处的连接件35和38被箍装适配在每一环箍36和37上的圆柱形部分39上。所谓的逆向箍装适配，就是将某一部件，比如说环箍36和37，套装进一个环圈中，在本例中的环圈即为连接件35和38。
环箍36和37还被沿垂直于元件轴线的方向固定。
图13b示出了两个环箍336和337与具有圆柱形部分39的连接件35和38间的另一种逆向箍装适配方式，两个连接件35和38亦位于元件34的两端部314和315处。两环箍336和337还被沿平行于元件轴线的方向固定。
图14示出了一个包含有管形处理元件44的组件，该处理元件44具有一个内部通道416和多孔的壁418，并通过机械箍装方式适配在呈轻微锥形的环箍46和47上。环箍46具有一个可使流体通过的开口410。元件44的两端部414和415分别与连接件45和48相适配。在连接件的适配部分中的通道与环箍46和47的相应部分具有相同的形状。连接件45用于塞住元件44的内部通道416，而连接件48带有开孔417，以使其内部通道416与组件的输出开孔411相连通。将连接件45和48箍装到环箍46和47的带锥度的部分409上的实施，是通过强迫两个其半圆锥角大约为1.5度的Morse(莫尔斯)锥角型的锥体相适配来实现的。环箍45和48还分别被焊接到外壳413上的沿组件轴线方向上的输入和输出开孔412和411的区域中。
其流动方向如箭头方向所示的流体经过开孔412流入，经开孔410穿过环箍46，沿元件44的外部侧表面流动，穿过壁48并且循内部通道416流向端部414，最后经过连接件418的开孔417而流出，并经位于组件另一端处的开孔411而流去。
显然，本发明并不局限于所述的或图示的各实施例，它还包括对本领域的熟练技术人员来说可以进行的且未脱离本发明构思的各种变型。
权利要求
1.一种用于气体或液体的过滤、分离、纯化或用于催化转换的组件，包括-个大体上为圆柱形的金属外套(13)或称外壳，-至少一个刚性处理元件(4)，它是用由陶瓷、石墨、烧结玻璃和烧结金属中选择出的致密性的或多孔性的材料制造的，且其至少一端(5)是大体上呈圆柱形的，其轴线平行于外套(13)的轴线，-至少一个呈可弹性变形的环箍(6)形的金属部件，它首先被固定到外壳(13)上，然后再被连接到所述元件(4)的所述端部(5)上，该组件的特征在于，在所述环箍(6)与所述元件(4)的所述端部(5)之间的连接是利用热的或机械的箍装方式实现的，所述环箍(6)被箍装适配到或逆向箍装适配到所述端部(5)上。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于所述环箍是通过焊接方式固定到所述外壳上的，且是将所述环箍的外缘装入到所述外壳壁上机加工出的部分中，并对所述外壳的壁以及所述环箍的外缘进行局部熔化，而在所述外壳的内表面不产生金属熔融过的区域。
3.如权利要求1所述的组件，其特征在于所述环箍是通过焊接方式固定到所述外壳上的，且是将所述环箍的外缘装入到在所述外壳壁上机加工出的部分中，并对所述外壳的壁进行局部熔化，而不熔融所述环箍的外缘，它是利用被熔融区域的收缩作用而夹紧所述外缘的，在所述外壳的内表面不产生金属熔融过的区域。
4.如前述任何一个权利要求所述的组件，其特征在于所述环箍在所述元件的一个大体上呈圆柱形的表面上作用有一径向夹紧力，所述力的大小与所述表面的宽度有关。
5.如前述任何一个权利要求所述的组件，其特征在于所述环箍与所述元件间的连接使所述环箍不能相对于所述元件产生移动。
6.如前述任何一个权利要求所述的组件，其特征在于所述元件的至少一端部通过固定在所述元件上的连接元件与所述环箍相连接，所述连接件大体上呈圆柱形并且是由多孔性材料和致密性材料中选择出的材料构成的。
7.如权利要求6所述的组件，其特征在于所述连接件是利用高温熔融的玻璃连接在所述元件上的。
8.如前述任何一个权利要求所述的组件，其特征在于所述环箍与所述元件间的连接是利用Morse锥度的机械箍装方式实现的。
9.如前述任何一个权利要求所述的组件，其特征在于所述环箍是由下述材料中选择出的材料构成的，其中包括不锈钢，钛合金，富镍合金以及登记商标为“HASTELLOY”的已知合金。
10.如前述任何一个权利要求所述的组件，其特征在于所述元件含有能与所要处理的流体中的某些成分起化学反应的化合物。
11.如权利要求1至10中任何一个所述的组件，其特征在于它包含一个具有杀菌型膜片的多通道处理元件，它具有一个疏水性表面且微孔直径小于或等于0.8微米。
12.如权利要求1至10中任何一个所述的组件，其特征在于它包含一个由多孔材料构成的处理元件，该元件在具有与所述元件相同性质的致密材料的每一端部处适配有一连接件，所述连接件利用箍装方式连接于由各种富镍合金中选择出的一种合金制成的环箍上，并且所述环箍被焊接到不锈钢制的外壳上，其内部是经电子抛光的。
13.如权利要求1至10中任何一个所述的组件，其特征在于它包含有一个由蜂窝型和多通道型中选择出的材料制成的处理元件，在其致密材料部分上盖复有一种催化材料。
全文摘要
本发明涉及一种可用于气体或液体的过滤、分离、纯化或是用于催化转换的组件，它包括——一个大体上呈圆柱形的外壳(13)，——至少一个刚性元件(4)，其至少一端(5)是大体上呈圆柱形的且其轴线平行于外壳(13)的轴线，——至少一个呈可弹性变形的环箍(6)形的金属部件，它首先被固定在外壳(13)上，然后再连接到所述元件(4)的所述端部(5)上，其特征在于所述环箍(6)与所述元件(4)的所述端部(5)间的连接是利用箍装适配方式实现的。
文档编号B01D29/31GK1105601SQ9312038
公开日1995年7月26日 申请日期1993年10月20日 优先权日1992年10月20日
发明者丹尼尔·格塞拉, 艾杜亚德·图加斯, 雅克斯·吉洛特 申请人:陶瓷技术公司