CN104838199A - 跨高电压电位的气体传输 - Google Patents

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Abstract

本揭示的技术是用于降低气体传输系统中的帕邢事件的效应。被动隔离组件可用于将气体由低电位环境跨接传输至高电位环境。被动隔离组件可包含非导电轴向孔传输绝缘体。不规则形状的非导电隔离循迹绝缘体可直接接触并包围传输绝缘体。被动隔离组件可包含位于大地电位的导电性的前端封盖与位于高电位的导电性的后端封盖。导电性的前端封盖有开孔适于与来源气体传输管线耦接。导电性的后端封盖有开孔适于与目标气体传输管线耦接。

Description

跨高电压电位的气体传输
技术领域
本发明的实施例与气体配送系统相关。更确切地说，本发明涉及去除帕邢事件(Paschen events)或大幅降低帕邢事件的效应的气体配送系统。
背景技术
将工业用气体由处于大地电位(例如0V)的远程配送箱(remote distributionbox)传输至可能处于大电压电位环境的利用该气体的机器是一项挑战。在毒性气体的传输过程中，安全性是首要的考虑。气体泄漏至大气中可能会对在紧邻的环境中工作的人员造成严重的健康危害。任何的泄漏都必须限制在百万分率(PPM)等级。于毒性气体传输中的另一项重要考虑是跨接(bridging)气体来源与其目的地间的高电压电位。气体必须以去除帕邢事件或大幅降低帕邢事件的效应的方式来传输。
本说明书揭示的实施例是根据背景技术中所述与其他考虑而进行开发。
发明内容
本发明内容以精简的形式来介绍将于后续实施方式中进一步描述的概念的选录。本发明内容并非意欲确定所请标的的关键特征或必要特征，亦非意欲辅助判断所请标的的范围。
不同的实施例将用于降低气体传输系统中的帕邢事件的效应和/或去除存在于气体传输系统中的帕邢事件。举例而言，可使用被动隔离组件(passiveisolation assembly)将气体由在第一压力下的低电位环境跨接(bridge)至在第二压力下的高电位环境。被动隔离组件可以包含由长条形杆(elongated rod)构成的非导电的传输绝缘体，上述长条形杆具有沿其长度方向延伸的中央轴向孔。非导电的隔离循迹绝缘体(isolation tracking insulator)可以直接接触并包围上述传输绝缘体。上述隔离循迹绝缘体可以具有不规则的形状，上述不规则的形状增加隔离循迹绝缘体的外径(outside diameter)的循迹长度(trackinglength)。隔离循迹绝缘体可以由热塑性材料制得。被动隔离组件也可以包含位于大地电位的导电性的前端封盖(front end sealing cap)与位于高电压电位的导电性的后端封盖(rear end sealing cap)，上述导电性的前端封盖具有适于(adapted to)与来源气体传输管线(gas transport line)耦接的开孔，上述导电性的后端封盖具有适于与目标气体传输管线耦接的开孔。
在其他的实施例中，上述被动隔离组件被整合于较大的气体传输系统，以安全地将被传输的气体由位于大地电位的环境跨接至下游设备所应用的位于高电位的环境。
附图说明
图1为显示各种气体的帕邢曲线的范例。
图2为显示依据本揭示的一实施例的气体传输系统的范例。
图2a为更详细显示依据本揭示的一实施例的气体传输管线。
图3为显示依据本揭示的一实施例的被动隔离组件的范例。
图4为显示依据本揭示的一实施例的前端封盖剖面图的范例。
图5为显示依据本揭示的一实施例的后端封盖剖面图的范例。
具体实施方式
下文将参看附图来更充分的描述本发明，只示出了其中一些较佳的实施例。然而，本发明可由许多不同的方式实施，而不受限于本说明书所列的实施例。更确切地说，此处所提供的实施例将使本揭示更加详细且完整，并将本发明所囊括的范围充分传达给所属技术领域中具通常知识者。在附图中，相似的组件符号在全文指代相似的组件。
如同先前所述，安全性是传输有毒气体时十分重要的考虑。特别是当将有毒气体由位于大地电位(亦即：0V)的来源容器传输至位于极高电压电位(例如：100kV)的机器。气体必须要以去除帕邢事件或大幅降低帕邢事件的效应的方式来传输。帕邢事件可以视为是一种导致累増崩溃(avalanche breakdown)的连锁反应，导致一连串电子释放而形成电弧。在此事件的过程中有可能会形成等离子体。等离子体的形成会降低跨接组件(bridging component)的寿命，并导致额外的电流消耗从而限制跨接组件的效能。
帕邢定律将平行板间的气体的崩溃电压(breakdown voltage)描述为压力与间隙距离(gap distance)的函数。跨过间隙(gap)的电弧所需要的电压在一定程度上随压力降低而递减。电压接着递增，逐步地超过其初始值。就一般压力而言，产生电弧所需要的电压随间隙尺寸递减，但仅到一定程度而已。当间隙进一步地缩小，所需的电压上升，并再一次地超过其初始值。图1将氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)、氢气(H2)以及氮气(N2)的帕邢曲线显示为电压对压力的函数。
气体分子的平均自由径是在气体分子与其他分子的碰撞间所经的平均距离。平均自由径与气体压力成反比。标准温度下空气中分子的平均自由径约为96纳米。由于电子远小于分子，电子与分子的撞击间的平均距离约5.64倍长，或是约0.5微米。这是提供最低电弧电压的电极间7.5微米的间隙中的一部分。如果电子处于43MV/m的电场，在电场方向中移动0.5微米，电子将被加速并获得21.5电子伏特(eV)的能量。举例而言，将一颗电子移出氮所需的第一游离能约为15eV。加速过的电子将会获取足够的能量以游离氮原子。获得释放的电子将会依序被加速，这将导致另一次的碰撞。连锁性的反应导致累增崩溃，且一连串经释放的电子形成电弧。
在较高的气体压力下，电极间的电子路径(electron path)中将会发生更多次碰撞。当压力-间隙乘积p*d高时，电子在从阴极移动至阳极的过程中将会与许多不同的气体分子碰撞。每次的撞击都将随机化电子的行进方向，所以电子并非永远都受到电场加速，有时候电子会朝阴极方向返回并受到电场减速。
碰撞降低了电子的能量并使得电子更难去游离分子。大量碰撞所造成的能量损失使得电子需要更大的电压，致使电子可累积足够的能量以游离大量的气体分子而造成累增崩溃。
在图1中的帕邢曲线的左侧，p*d乘积很小。电子平均自由径相较于电极间的间隙要长得多。在此种状况下，电子可以获得更多的能量，但游离碰撞却较少。因此需要更高的电压以确保游离足够多的气体分子来启动累増。
不同的气体种类有不同的分子与电子平均自由径。这是由于不同分子有不一样的直径。像氦气与氩气等惰性气体为单原子分子，倾向于拥有较小的直径。这使得它们有较大的平均自由径。不同分子间除了游离位能(ionizationpotential)相异以外，分子再捕获曾被踢出轨域外的电子的速率亦相异。前述三种效应皆会改变产生电弧所必需的自由电子的指数增长(exponential growth)所需要的碰撞次数。
气体传输系统
传输来源于大地电位且预定前往处于极高电压电位的设备的气体的其中一个目标为安全地跨接不同电压电位间的差距。根据前述帕邢定律中的压力与间隙距离，藉由确保跨接组件的导电端间的气体不超过其崩溃电压，而可达到上述目标。如果气体达到崩溃电压，有可能会产生游离并导致累增效应，使得气体传输系统变得不稳定、损坏设备、并危及邻近人员。
图2为显示依据本揭示的一实施例的气体传输系统200的范例。尽管图2的气体传输系统200在特定型态上只包含有限数目的部件，但应可理解的是，气体传输系统200在其他实施型态上可以包含更多或更少的部件。
气体传输系统200可在来源产生。在本实例中来源为容纳气槽(gas tank)204的密封的气体盒容器(gas box container)202。气槽204包括安装在气瓶(gascylinder)内的手动气瓶阀(manual gas bottle valve)以及与气体传输管线220连接的接头(coupling)205。来源气体传输管线220可包括，例如说，双重壁面(double walled)的不锈钢结构。图2a显示了图2中的方框圈起处215，图2a进一步显示了气体传输管体220。来源气体传输管线220可包括内部管体219与外部管体221这两个分开的管体，其中内部管体219运送(carry)来自气槽204的气体，外部管体221运送惰性气体，例如氮气。双重壁面的气体传输管线220始于气体盒202的外侧，结束于控制箱(control box)224。双重壁面的气体传输管线220可经由安装在最外侧管体221上的T型接头(T-fitting)进行气体充填。T型接头可包括压力表/换能器(pressure gauge/transducer)222，用以透过目视与经由电子设备(electronics)223两种方式监控(monitor)压力。双重壁面的气体传输管线220的外部管体221可被充填预定(pre-determined)压力的氮(N2)气并且受到监控。
此外，可直接从远程(remote)位置经由双重壁面的气体传输管线220将气体传输到远程气体盒来调节气体压力。在这样的实施例中，气体盒储放柜(gasbox cabinet)202中没有摆放气瓶。
在离开气槽204之后，所述来源气体传输管线220在分为主路径(即，气体传输管线220的延续)与泄气(evacuation)路径216这两条路径之前遇到调节器206。调节器206监控内部管体219与外部管体221的压力，且透过电线208转达信息给远程控制箱224。来源气体传输管线220也包括关断阀(shut-offvalve)210，关断阀210可关闭来源气体传输管线220以防止气体移动通过(traveling past)关断阀210。类似地，泄气路径216也包括关断阀212，关断阀212可关闭来源气体传输管线220以防止气体移动通过关断阀212。在一般的操作下，在泄气路径216中的关断阀212保持关闭。在紧急或外泄的状况下，泄气路径216中的关断阀212将会打开，且来源气体传输管线220中的关断阀210会关闭。气槽204会关闭且剩余的气体会被转向至(be shunted to)粗抽泵(roughing pump)216且安全的透过泄气系统228排出(evacuated out)。
除此之外，气体会持续的经过来源气体传输管线220而朝向其目的地(destination)传输。这可以包括使来源气体传输管线220在到达控制箱224之前，穿过建筑墙结构(building wall structure)230。在抵达控制箱224之前，可在管线设置压力表/换能器222，以测量气体传输管线220内的氮气压力。压力读数可透过电线223发送至控制箱224。接着，来源气体传输管线220进入控制箱224。控制箱224可包括多种组件，上述组件包括但不限制于，另一关断阀226、压力换能器228、230与流量计232。可基于气流的状态或系统的状态控制关断阀226打开或关闭。压力换能器为安全换能器，用来监控压力外泄。流量计232是用来量测目前流经气体传输管线220的气体流量。
在离开控制箱224之后，气体传输管线220进入排气区(exhaust area)235。排气区235包括被动隔离组件(passive isolation assembly)234。可使用压力计236监控排气区235，上述压力计236测量排气区235中的压力。压力计236的读数可发送至控制箱224。被动隔离组件234以一压力并于大地电位接收来自来源气体传输管线220的气体，且被动隔离组件234作为跨接组件而以不同的压力并于极高电压电位环境中使气体能安全地离开(exit)被动隔离组件234。取决于被传输气体的种类，所述不同的压力可较高或较低。
接着，已安全地跨接到这个新环境的上述气体可经由目标气体传输管线237分配到使用上述气体的装置240，举例而言，离子布植系统。所述装置可被容纳于至少一个瓷绝缘器(porcelain insulator)250所支持的结构中，以使所述装置保持在期望的电位，而不会造成到大地电位的短路(short to earthground)。
被动隔离组件
图3为显示根据本揭示的一实施例的被动隔离组件234的范例。被动隔离组件234可以包含形状可为长条形杆(elongated rod)的非导电的传输绝缘体310。上述长条形杆包含贯通全长(full-length)的轴向孔320，以有效地形成管体。传输绝缘体310可包含石英或其他非导电性材质，例如但不限制于，硼硅酸盐(borosilicate)或玻璃。传输绝缘体的材质应可承受压力变化，举例而言，从60托至3500以上psi(pounds per square inch,磅每平方吋)。
托是一种非国际标准制(non-SI)的压力单位，与1标准大气压力的比值是760分之1，约略等同于1毫米汞柱所施加的流体压力(亦即1托压力大约等同于1毫米汞柱)。以下数据供作参考，1托等同于0.01933psi，故60托等同于约1.159psi。
传输绝缘体310与包含热塑性材料的隔离循迹绝缘体(isolation trackinginsulator)320直接接触。热塑性材料是聚合物，超过特定的温度会变得有可弯性(pliable)与可塑性(moldable)，在冷却之后会回复固态。大多数热塑性材料特征在于它们的耐热性、耐溶剂性和阻燃性。此外，热塑性材料还具有高介电强度。可以使用于隔离循迹绝缘体320的热塑性材料的实例包括但不限于，聚醚酰亚胺(polyetherimide,PEI)、聚二醚酮(polyether ether ketone,PEEK)、氯化聚氯乙烯(chlorinated polyvinyl chloride,CPVC)。
传输绝缘体310被隔离循迹绝缘体320包围，且各端由导电性的前端封盖340和导电性的后端封盖350密封。上述前端封盖340和后端封盖350可由不锈钢或其它导电材料制造。
隔离循迹绝缘体320具有不规则的形状，其增加隔离循迹绝缘体320的外径的循迹长度。沿外周面的长度决定最大电压间距能力(maximum voltagestandoff capability)。典型的电压间距能力可为每吋10千伏(10kv per inch)。因此，透过使用包括“卷积(convolution)”的不规则的形状来增加长度，不只增加了长度也增加了整体的电压间距能力。
图4为显示根据本揭示一实施例的前端封盖340的剖视图。前端封盖340在其耦接于导电性的来源气体传输管线220而运转(operative)时保持在大地电位，且来源气体传输管线220也是处于大地电位。前端封盖340可经由气体传输管线320接收到气体，并允许气体通入被隔离循迹绝缘体320所包围的传输绝缘体310。前端封盖340可包括一个或多个监测开关或换能器，上述监测开关或换能器可检测到前端封盖340内的任何气体外泄。第一换能器可作为警告换能器(warning transducer)342，而第二换能器可作为故障-安全换能器(fail-safe transducer)344。警告换能器342和故障-安全换能器344确保安全的操作条件。假如从中心传输管线发生外泄，警告换能器342可以在控制箱224内提供软件警报。可控制在控制箱224中执行的软件，并显示给在远程位置的技术人员。技术人员可以观察到由泄漏引起的警报，所述警报为由警告换能器342检测到。技术人员可对警报作出反应，而拨打服务电话。如果故障-安全换能器344检测到泄漏，所述软件可自动启动例行程序(routine)来保护设备和人员，以安全的方式泄出(evacuating)所述传输气体。警告也可以显示在装置上。
可用多重冗余密封配置(multiple redundant seal arrangement)的方式来构筑前端封盖340，以增加在破裂状况下的耐压能力(pressure capability)。举例而言，外密封件(outer seal)410可为前端封盖340的外部壳体(casing)。中密封件(middle seal)420可为O型环(O-ring)与双重ParbackTM环的密封配置。内密封件(inner seal)430也可为O型环与双重ParbackTM环的密封配置。派客环(ParbakTM ring)是由帕克汉尼汾股份有限公司(Parker Hannifin Corp.)设计外型(contoured design)、制造与发行的标准橡胶托环(back-up ring)。派客环可用于动态与静态的密封应用。在双重作用的密封配置中，将派客环放置在O型环的两侧。藉由在O型环的各侧放置派客环，位于低压力侧的派客环是必要的，而额外的派客环则不会造成妨害。除了作为抗挤压(anti-extrusion)装置的优点外，派客环还可以帮助圈闭(trap)润滑剂(lubricant)、保护O型环与减低摩擦力(friction)。此实施例并不限定于此范例。
警告换能器342可定位于(positioned)内密封件430和气体传输管线220之间。故障-安全换能器344可定位于内密封件430和中间密封件420之间。警告换能器342会在故障-安全换能器344之前触发，因为警告换能器342更接近气体传输管线，故会比故障-安全换能器344更早一步侦测到压力的改变。更严重的破裂也会触发故障-安全换能器344。如果换能器342、344其中之一传达出高于安全门坎值的读数，控制箱324可立刻采取关闭所有相关的(relevant)关断阀的预防行动，以防止任何额外的气体泄漏。此实施例并不限定于此范例。
图5为显示根据本揭示实施例的后端封盖350的剖视图。由于与处于较高电位的导电性目标气体传输管线237运转耦接(operative coupling)，后端封盖350亦维持在较高电位。如同前端封盖340，可用多重冗余密封配置的方式来构筑后端封盖350，以增加在破裂状况下的耐压能力。举例而言，外密封件410可以是前端封盖340的外部壳体。中密封件420可以是标准的O型环。内密封件430可以是O型环与双重ParbakTM环的密封配置。
对于典型的工业用途，气体传输系统100操作上为从如气槽204的来源容器传输气体而使其越过一段距离，并越过一段相当大的距离而传输至目的地设备。此外，来源气体传输管线220将会在某些时刻从大地电位环境切换至较高电压电位的环境。除了与传输气体有关的一般危害以外，跨接前述的电位差可能也会有危险。在操作上，气体传输系统100可以包含多重冗余安全装置与调节措施，以确保任何泄漏都可以及早被侦测到并做出相应的处理。举例而言，来源气体传输管线220可以是双重壁面的不锈钢结构，其中由内壁所定义出的管体运送气体，而由外壁所定义出的管体运送氮气，上述外壁围绕由内壁所定义出的管体。举例而言，外部管体221的内径(inner diameter)与内部管体219的外径(outer diameter)之间的间隙可以氮气充填，且由压力监控计222覆盖与监控，上述压力监控计222可提供视觉与电子的回授讯号(feedback)。假如在负压与正压同时发生破裂状况，压力监控计222可以侦测到压力变化并警示软件可能的问题。
调节器206监视各个气体与氮气管体内的压力，并与控制箱224电性耦接208。当侦测到泄漏时，多重关断阀210、226、氮气压力监控计222、压力换能器228、230与流量计232可由控制箱操控以隔离来源气体传输管线220。如果发生泄漏，泄气路径216与关断阀212可以将来源气体传输管线220转向至粗抽泵(roughing pump)214，并安全地排出至泄气系统228。
在正常操作下，经由来源气体传输管线220传输的气体，将会通过来源气体传输管线220与被动隔离组件234内的前端封盖340之间的接头，到达被动隔离组件234。来源气体传输管线220与前端封盖340皆具导电性且位于大地电位。被动隔离组件234也包含具导电性且位于较高电位的后端封盖340。非导电的传输绝缘体310运送气体通过位于不同电位的前端封盖与后端封盖间的间隙。传输绝缘体310由不规则形状的热塑性材料隔离循迹绝缘体320包围。被动隔离组件234用于在无帕邢事件的环境中将气体从位于大地电位的来源端，安全地跨接至气体传输系统100的位于高电压电位的设备端。
本文描述的实施例提供超过现有技术的几个优点。例如，本文所描述的实施例可以安全地将惰性和有毒气体从大地电位跨接至电压100kV或更高的电位，而不须担心帕邢事件发生。因此，此处所描述的技术和设备适用于(idealfor)利用高电压源和希望减少由于本地(local)气槽过度变化而造成的停机时间(down time)的装置和应用(application)。这是因为本文所描述的技术和设备可与较大的集中式(centralized)气体传输系统一起使用，且整个工作空间不依赖于本地气槽的存在(presence)。这既创造了额外的工作空间，且还藉由避免封闭环境中大量的气槽变化而显著地提高了安全性。遍布整个气体运输系统的多重冗余安全关断阀和泄气路径(evacuation path)进一步提升了人员的安全。
这与前述需要多个气槽变化以维持设备运作的包含多个本地气槽的现有技术显然有差异。每一次气槽的切换对工作区域而言都是一次危险因素的引入。其他试图跨接低电位到高电位之间的间隙的技术，由于涉及到极高压力也是危险的。其他在低电位与高电位的气流间隙(gas stream gap)引入外部介质(foreign media)的技术，虽然可能可以减少加速距离，但却可能无法防止帕邢事件与累増崩溃。
尽管已参照某些实施例揭示本发明，但在不脱离如本发明所附权利要求中定义的领域和范围下，对于所描述的实施例进行许多修改、变更、改变是可能的。因此，本发明并不局限于所描述的实施例，本发明具有以下权利要求的语言及其等同物所定义的全部范围。

Claims (18)

1.一种被动隔离组件，将气体由在第一压力下的低电位环境跨接至在第二压力下的高电位环境，所述组件包括：
非导电的传输绝缘体，包括长条形杆，所述杆具有沿其长度方向延伸的中央轴向孔；
非导电的隔离循迹绝缘体，直接接触并包围所述传输绝缘体，所述隔离循迹绝缘体具有不规则的形状，所述不规则的形状增加所述隔离循迹绝缘体的外径的循迹长度；
导电性的前端封盖，位于大地电位，所述前端封盖具有开孔，所述开孔适于与来源气体传输管线耦接；以及
导电性的后端封盖，位于高电压电位，所述后端封盖具有开孔，所述开孔适于与目标气体传输管线耦接，
其中，从所述前端封盖至所述后端封盖的距离定义了位于不同电压电位的导体之间的间隙，使得气体能经由所述传输绝缘体的所述轴向孔而流经。
2.根据权利要求1所述的被动隔离组件，所述传输绝缘体能承受60托至3500+磅每平方吋之间的压力而不破裂。
3.根据权利要求1所述的被动隔离组件，其中所述传输绝缘体为石英。
4.根据权利要求3所述的被动隔离组件，其中所述传输绝缘体为硼硅酸盐。
5.根据权利要求3所述的被动隔离组件，其中所述传输绝缘体为玻璃。
6.根据权利要求1所述的被动隔离组件，其中所述隔离循迹绝缘体为热塑性材料。
7.根据权利要求6所述的被动隔离组件，其中所述热塑性材料为聚醚酰亚胺。
8.根据权利要求6所述的被动隔离组件，其中所述热塑性材料为聚二醚酮。
9.根据权利要求6所述的被动隔离组件，其中所述热塑性材料为氯化聚氯乙烯。
10.根据权利要求1所述的被动隔离组件，其中所述前端封盖与所述后端封盖的所述导电性材料为不锈钢。
11.根据权利要求10所述的被动隔离组件，其中所述前端封盖与所述后端封盖进一步包括多重密封壁的腔室。
12.根据权利要求1所述的被动隔离组件，其中所述前端封盖进一步包括一或多个压力换能器，以量测所述前端封盖内的压力。
13.一种气体传输系统，将气体由在第一压力下的低电位环境跨接至在第二压力下的高电位环境，所述气体传输系统包括：
来源气槽，位于大地电位；
控制箱，监视与控制遍布所述气体传输系统的气体的流动；
被动隔离组件，具有相对的两端，以允许所述气体从位于大地电位的一端的导电点流动至位于较高电压电位的另一端的导电点；以及
导电性的来源气体传输管线，在所述被动隔离组件的位于大地电位的所述端耦接于所述来源气槽与所述被动隔离组件之间；以及
导电性的目标气体传输管线，在所述被动隔离组件的位于所述较高电位的所述端耦接于所述被动隔离组件。
14.根据权利要求13所述的气体传输系统，所述被动隔离组件包括：
非导电的传输绝缘体，包括长条形杆，所述杆具有沿其长度方向延伸的中央轴向孔；
隔离循迹绝缘体，直接接触并包围所述传输绝缘体，所述隔离循迹绝缘体具有不规则的形状，所述不规则的形状增加所述隔离循迹绝缘体的外径的循迹长度；
导电性的前端封盖，位于大地电位，所述前端封盖具有开孔，所述开孔适于与来源气体传输管线耦接；以及
导电性的后端封盖，位于高电压电位，所述后端封盖具有开孔，所述开孔适于与目标气体传输管线耦接，
其中，从所述前端封盖至所述后端封盖的距离定义了位于不同电压电位的导体之间的间隙，使得气体能经由所述传输绝缘体的所述轴向孔而流经。
15.根据权利要求13所述的气体传输系统，所述传输绝缘体能承受60托至3500+磅每平方吋之间的压力而不破裂。
16.根据权利要求13所述的气体传输系统，其中所述隔离循迹绝缘体为包含下述的其中一种的热塑性材料：聚醚酰亚胺、聚二醚酮或氯化聚氯乙烯。
17.根据权利要求13所述的气体传输系统，其中所述前端封盖与所述后端封盖进一步包括多重密封壁的腔室。
18.根据权利要求13所述的气体传输系统，其中所述前端封盖进一步包括一或多个压力换能器，以量测所述前端封盖内的压力。
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