CN114341544A - 用于从储存容器分配气体的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于从储存容器分配气体的阀组件和方法，储存容器包括用于排放气体的喷嘴。阀组件具有通道，该通道具有与喷嘴连通的第一端部以及与储存气体的储存容器的内部连通的第二端部。截止阀插置在通道中，用于阻止或允许气体在通道的所述第一端部和第二端部之间通过。止回阀可以被固定在喷嘴的孔中以防止意外的气体排放。

Description

用于从储存容器分配气体的方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年9月5日提交的临时专利申请第62/896,475号的优先权，该申请以其全文并入本文。
技术领域
本领域涉及一种在制造应用中有用的气体储存容器的阀组件。
背景技术
在多种多样的工业工艺和应用中，需要可靠的工艺气体源。此类工艺和应用领域包括半导体制造、离子注入、平板显示器的制造、医疗干预和治疗、水处理、紧急呼吸设备、焊接操作、基于空间的液体和气体的输送等。
在工业上，重要的是提供一种安全且有效的方式在负压条件下处理有毒的、可燃的、腐蚀性的气体。特别地，这些气体包括掺杂气体。通常，掺杂气体储存在压缩气体钢瓶中，其压力等于给定压力下或特定压力下的气体蒸气压力，这取决于特定气体的性质。这些气体用作制造半导体装置的掺杂材料的来源。这些掺杂气体用于称为离子注入机的工具中。离子注入机位于半导体制造设施的制造区域内，其中几百甚至几千人从事半导体制造过程。这些工具在非常高的电压下操作，通常高达几千千伏。由于这些高电压，掺杂源气体必须位于工具本身处或工具本身内。大多数其他半导体工具将源气体定位在人员或主要生产区域之外。离子注入工具的一个明显的特征是它们在负压的压力下操作。利用在工具处存在的真空从钢瓶递送产品，创造了更安全的包装，因为直到施加真空才能从钢瓶包装移除产品。这种真空递送的理念防止意外暴露于加压气体。
一种用于安全输送掺杂气体的负压输送技术涉及用物理吸附性材料(诸如珠状活性炭等)填充压缩气体钢瓶，并且将掺杂气体可逆地吸附到该材料上。这种理念通常被称为SDS技术。解吸过程涉及向吸附性材料/钢瓶施加真空或加热。
机械压力调节器可以用于掺杂气体的安全负压输送。当负压或真空条件被施加到该装置时，压力调节器被设置为打开。典型地，负压条件的应用致使柔性材料在达到预设压力时弯曲，从而致动调节阀以实现气体流动。阀位于常规开/关钢瓶阀座机构的上游。上游装置的精确位置可以在阀体中、在钢瓶颈腔中、在钢瓶本身内、或所有三个位置的组合。
期望提供更加安全的用于从储存装置分配气体的装置。
发明内容
公开一种用于从储存容器分配气体的阀组件，储存容器包括用于排放气体的喷嘴。喷嘴限定孔。阀组件具有通道，该通道具有两个端部。第一端部与喷嘴连通，第二端部与储存气体的储存容器的内部连通。截止阀插置在通道中，用于阻止或允许气体在通道的第一端部和第二端部之间通过。止回阀可以被固定在孔中。一种从储存容器分配气体的方法，包括将腔室中的阻挡部偏置成与喷嘴中的通路接合以防止流体从通路流到腔室。储存容器的内部容积与喷嘴连通。腔室中的压力减小到低于通路中的压力，足以使阻挡部移动脱离与通路的接合，以准许流体从通路流到腔室。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施例的气体储存和分配系统的示意性截面立面图。
图2是图1的可替代阀组件的等轴测视图。
图3是本公开的止回阀的剖视图。
图4是图3的可替代止回阀的剖视图。
图5是由本公开的实施例展示的数据的曲线图图示。
具体实施方式
公开了一种阀组件和方法，该阀组件和方法使用储存容器的喷嘴中的止回阀来防止气体泄漏。储存的气体可以是极其有毒的。例如，胂具有低至5wppb的毒性极限。如果截止阀意外地打开，则会出现储存容器意外泄漏的问题。在储存容器中使用吸附剂来储存气体，空气向储存容器内部的泄漏可以引起温度和压力波动，这些波动引起储存的气体从吸附剂中解吸并且从阀组件的喷嘴泄漏。储存的气体的泄漏也可以在包含在储存容器的内部或阀组件中的机械阀失效时发生。
提出在阀组件的喷嘴中使用止回阀来防止空气进入喷嘴并且进入储存容器的内部而引起温度波动，以及防止储存的气体穿过喷嘴从储存容器排出。止回阀安全地防止储存容器的意外排放，该储存容器在吸附剂上储存有气体。止回阀还可用于使用机械阀防止排放以防止机械阀失效的储存容器。所提出的止回阀将排出水平维持在远低于5wppb的极限值。
不适当的循环清除或将钢瓶意外打开至大气空气，可以允许来自外来气体的污染进入储存容器。除了上述安全优点之外，止回阀还防止来自外来气体进入储存容器的污染。
阀组件提供可靠的气体源，该气体源特别适合用于半导体制造设施，以便提供气体(诸如卤化合物气体等)的按需供应；例如BF3、F2等氢化物气体；例如胂化氢、膦化氢等和气态有机金属源试剂。
现在参考附图，图1是根据说明性实施例的一个气体储存容器100的示意性截面立面图。储存容器100可以是大体圆筒形形式的流体储存和分配容器，其中圆筒形壁102在其下端处由底板构件106封闭。在容器的上端处是颈部108，颈部108包括限定并外接容器100的顶部开口的圆筒形颈环110。壁102、底板构件106和颈部108由此包封容器100的内部容积128，如图所示。
在容器的颈部处，阀组件114的螺纹塞112与储存容器100的颈环110的内螺纹开口进行螺纹耦接。阀组件114包括通道120，通道120的第一端部121与喷嘴124连通，通道120的第二端部123与容器100的内部容积128连通。喷嘴124将容器100的内部容积128与容器外部的环境连通。因此，喷嘴124用于从容器100分配气体，并且预期用于将气体充入容器。喷嘴124可具有用于与气体管进行外螺纹连接的外螺纹154，该气体管具有带有相应内螺纹的端部配件。
喷嘴124在其中限定孔150。止回阀10固定在喷嘴124的孔中，以进一步防止内部容积128中的气体无意地从喷嘴124泄漏。
通道120具有若干区段。通道120的中心区段140在截止阀122和调节器132之间通过。截止阀122插置在通道120中，用于阻止或允许气体在通道120的第一端部121与第二端部123之间通过。截止阀122被密封，在朝向中心区段120的阀的一侧上的阀座123中具有孔口。当柔性构件处于松弛状态时，柔性构件144由气体移位，以允许气体流过截止阀122，从而实现通道120的中心区段140与喷嘴区段146之间的连通。当手轮126顺时针转动时，其压缩柔性构件144，该柔性构件进入防止气体通过孔口经过截止阀122的压缩状态。喷嘴区段146是通过截止阀122使中心区段140与喷嘴124连通的通道120的一部分。
阀组件114的特点可在于填充通道116，填充通道116与容器的填充端口118和内部容积128连通。容器100可由此充入加压气体，之后关闭并加盖填充端口，如图所示。
阀头组件114中的中央流体流动通道120在其第二端部123处连接到连接器流管130，连接器流管进而连接接到调节器132。调节器132被设置成维持从容器排放的流体的选定压力。调节器130设定在特定压力。调节器130包括机械阀138。当喷嘴124经受较低压力时，可以打开截止阀122以将较低压力平衡到调节器132。由柔性材料制成的波纹管142膨胀以使提升阀146向下移位，从而允许气体从内部容积128穿过提升阀周围的端口148进入到调节器132中。气体然后穿过第二端部123行进到通道120中。
在调节器的下端处连接管状配件136，管状配件进而例如通过对接焊连接到在其下末端处具有扩散器端盖131的过滤器单元134。过滤器单元可以由不锈钢形成，其中扩散器壁由烧结的不锈钢(诸如316L不锈钢)形成。过滤器单元具有壁孔隙度，该壁孔隙度准许以30标准升/分钟的气体流速从系统中移除大于预定直径(例如大于0.003微米)的所有颗粒。
在使用中，在容器100的内部容积128中包含加压气体。气体压力调节器132被设定为选定的设定点，以在阀组件114中的阀打开时提供所分配的气体流动，其中气体流过滤器单元134、配件136、调节器132、连接器流管130、阀组件114中的通道120、截止阀以及喷嘴124。阀组件114可以连接至其他管道、导管、流量控制器、监测器件等，如在本发明的给定最终用途应用中可能期望或要求的。
图2是储存容器300的立体截面图，储存容器300依赖于容器中的吸附剂以避免无意识的排放。图2示出了储存容器300的内部结构。如图所示，储存容器300包括壁302，所述壁302封闭容器的内部容积352并且在其中容纳颗粒吸附剂材料350。在容器的上端，在阀组件314处，端口308的特征可以是多孔的中心管360或其他多孔的或以其他方式气体可渗透的结构，用于防止从吸附剂材料床中将颗粒固体夹带到分配的气体中。储存容器还包括用于分配来自储存容器300的气体和向储存容器300充入气体的喷嘴324。喷嘴324还可以包括固定在其中的止回阀10。喷嘴324可具有用于与气体管进行外螺纹连接的外螺纹354，气体管具有带有相应内螺纹的端部配件。
阀组件304还包括以虚线示出的通道320，通道320具有与喷嘴324连通的第一端部321和与储存容器352的内部容积连通的第二端部323。由轮306操作的截止阀322插置在通道320中，用于阻止或允许气体在通道的第一端部321和第二端部323之间通过。通过将喷嘴324连接到与负压气体源连接的管上，通过转动轮打开截止阀322，并允许负压的压力平衡吸附剂，气体从吸附剂中解吸并从喷嘴324中分配。
图1的喷嘴124和图2的喷嘴324中的止回阀10用于防止气体从对应的储存容器100、302的意外排放。图3详细示出了合适的止回阀10。止回阀10固定在喷嘴124、324中。
止回阀10包括本体12，该本体12限定通路14，当固定在喷嘴124、324中时，通路14与通道120、320连通。止回阀10可以固定在喷嘴124中、在孔150内，诸如图1所示。止回阀10可以是圆柱形并且中空的，并且孔150可以具有相应的配置。孔150可以如图1所示具有内螺纹152，用于与如图3所示的止回阀10的本体12上的外螺纹16进行内螺纹连接。止回阀10可以可替代地被锻造(swaged)或摩擦配合到喷嘴124、324中的孔150中。止回阀10具有上游端8和下游端9，上游端8靠近阀组件114、314，下游端9参照流体排放期间来自阀组件的流动方向F远离阀组件114、314。
在实施例中，本体12可包括限定内部输送管22的外壳20，内部输送管22中具有一个或更多个插入件，以提供输送管的期望的内部配置。通路14之前可以是限流通路18。限流通路18可以具有变窄的内径。限流通路18可以由止回阀10的上游端8中的通道22中的管状插入件24提供。通路14可以与限流通路18相邻并且具有比限流通路18更大的内径。还可以看到，通路14具有两个内径，最小内径由管状插入件24限定。本体12限定与通路14相邻的腔室26，腔室26与通路连通。在实施例中，腔室26和通路18可由摩擦配合到输送管22中的埋头孔插入件28提供。通路18可以由埋头孔插入件28的较大外径部分29提供，埋头孔插入件28夹在管状插入件24与环形凸缘30之间的适当位置。腔室26可由埋头孔插入件28的较小外径部分32提供，并且经过并穿过环形凸缘30朝向止回阀10的下游端9延伸。尾部插入件34可固定到主体12的输送管22的下游端9中。尾部插入件34也可以是管状的并且限制穿过变窄的内径的流量。尾部插入件34可具有工具接收凹部36以与机器头(诸如螺丝刀等)配合，以有助于将止回阀10固定到喷嘴124、324中。在止回阀10的上游端8处的环形凹部38可以接收O形环40以有助于与喷嘴124、324的内部配合表面的流体紧密接合。
腔室26可以具有比通路14更大的横向尺寸。在实施例中，腔室26可以具有比通路14的内径大的内径。阻挡部42容纳在腔室26中。腔室26包括可移动阻挡部42，可移动阻挡部42可移动成与通路14接合以防止流体流动穿过止回阀10、以及与通路脱离接合以允许流体流动穿过止回阀。阻挡部42的横向尺寸大于通路14的横向尺寸，使得当阻挡部与通路26接合时阻挡部可以阻挡流体进入通路14。然而，阻挡部42和通路14被定尺寸成防止阻挡部完全进入通路14。在实施例中，阻挡部与通路的下游端44接合，从而通过通路14与腔室26的分界面限定开孔46。在实施例中，阻挡部具有大于通路14的内径的外径。
在所示的实施例中，阻挡部42可以是金属的球体。通路14可以是圆柱形的。球形阻挡部42可与圆柱形通路14的下游端44接合，以在阻挡部与通路接合时防止气体流动。阻挡部还可以是隔膜，该隔膜被固定为与通路14(具体地与开孔44)接合，以防止逆着流动方向F向上游流动。
当安装在喷嘴124、324中时，通路14比腔室26更靠近通道120、320，因此通路也比腔室26更靠近止回阀10的上游端8。
在操作中，阻挡部42与通路14接合以防止气体逆着流动方向F泄漏到储存容器100、300中，这可能导致气体从储存容器300中的吸附剂中解吸并且泄漏到大气中，特别是如果截止阀122、322在图2的实施例中意外保持打开时。此外，如果机械阀138在图1的实施例中出现故障，那么内部容积128中存在的负压的压力将不会克服与流动方向F相反的方向作用在阻挡部上的偏置力，以允许泄漏。
在实施例中，弹簧48被固定(下游端抵靠腔室26中的壁50以及上游端与阻挡部42接合)，将阻挡部42偏置成与通路14的端部46接合。壁50具有例如穿过其中的洞52，以允许气体通过止回阀10的下游端9。
弹簧应当在阻挡部上施加刚好足够的偏置力以保持阀关闭。否则，在不从喷嘴124、324移除止回阀10的情况下，人们将不能从储存容器100、300分配所有气体。等于上游端8处的压力减去下游端9处的压力的压力差应在0.01托(0.0002psi)与517托(10psi)之间以确保储存气体的充分排放。
图4示出了可替代实施例，该替代实施例与图3中的实施例的不同之处在于它不使用弹簧来将阻挡部42偏置成与通路14相接合。相反地，小的压力差操作提供偏置。在图1和图2中，储存容器100、300的内部容积128、352中的压力分别在止回阀的上游端8处是负压的，诸如在1托与700托之间。止回阀10的下游端9处的大气压力将为约760托，因此将阻挡部压入成与通路14的端部46接合并防止气体从容器泄漏。通路14将处于比腔室26低的压力，以将阻挡部偏置成与通路接合。当管线连接到喷嘴124、324(其将对阀组件114、314施加比容器100、300中小的负压的压力)时，阻挡部42将从通路14朝向下游端9移位，以允许来自内部容积128、352的气体从容器100、300流动穿过止回阀10和喷嘴124、324。非常小的压差将允许气体流动穿过止回阀10。在一个方面，磁体还可用于朝向下游端9移动金属阻挡部42，以允许气体在双方向上流动穿过止回阀10。
在典型的储存中，止回阀10的腔室26中的阻挡部42被偏置成与喷嘴124、324中的通路14相接合，以防止流体从通路到腔室的意外的通过。偏置可以通过使用弹簧48或通过压差而靠在阻挡部上。为了分配来自储存容器100、300的气体，储存容器100、300的内部容积128、354与喷嘴124、324连通。这可通过打开截止阀122、322来启动，以允许使通道120下游的压力均衡。压力的连通可连通至机械阀138的柔性构件144，该柔性构件弯曲以打开端口148以使得储存容器100中的流体能够穿过通道120。在另一实施例中，压力的连通可连通至内部容积352中吸附有气体的吸附剂350，以从吸附剂350解吸气体，以使储存容器300中的流体能够穿过通道320。此外，腔室26中的压力必须充分减小到通路14中的压力以下，以使阻挡部42脱离与通路14的接合，以准许流体从通路14流到腔室26。通过将管钩接到喷嘴124、324(可能通过使用喷嘴124、324上的外螺纹154、354)，并且施加小于储存容器100、300的内部容积128、328中的压力的压力，腔室26中的压力可以被充分地减小以允许气体流动穿过止回阀10。气体将从储存容器100、300穿过通道120、320经过阻挡部42并且穿过喷嘴124、324。
为了填充储存装置，可以从喷嘴124、324移除止回阀10并且将气体管固定到喷嘴以用逆着图3和4中的典型流动方向F穿过喷嘴的流体填充储存容器。
本公开提供了一种设备和方法，该设备和方法使得气体储存在储存容器中更加安全并且免于污染。
示例
为了测试止回阀10，将止回阀插入类似于图2的包含砷化氢气体的储存容器300的阀组件314的喷嘴324中。内部容积328是650托。截止阀322完全打开，测量两个月的排放浓度。结果示于图5中。温度在约23℃±1C°波动。排放速率大多为零，伴随零星的微小通气。在1.4标准立方米/分钟(50标准立方英尺/分钟)的通风速率下，砷化氢气体的排放水平远低于5ppb。平均排放量为0ppb，最大峰值为1.5ppb。
在相同条件、没有止回阀10的情况下，排放量远大于5ppb的砷化氢气体，平均值为21.6ppb，当截止阀保持打开时，排放最大峰值为81.3ppb。
虽然以下结合具体实施例进行描述，但应理解的是，本说明书旨在展示而非限制以上描述和所附权利要求书的保护范围。
无需进一步详细阐述，相信使用以上描述，在不偏离本发明的精神和保护范围的情况下，本领域技术人员可最大程度地利用本发明并且容易地确定本发明的基本特征，以对本发明做出各种改变和修改并且使其适应各种用途和条件。因此，前述优选的具体实施例应被解释为仅是说明性的，并且不以任何方式限制本发明内容的剩余部分，并且其旨在覆盖包括在所呈权利要求书的保护范围内的不同修改和等同配置。
在前文中，除非另外指明，所有温度均以摄氏度陈述，并且所有份数和百分比均按重量计。

Claims (20)

1.一种用于从储存容器分配气体的阀组件，包括：
喷嘴，所述喷嘴用于从所述储存容器分配气体；
通道，所述通道具有与所述喷嘴连通的第一端部和与所述储存容器的内部容积连通的第二端部；
截止阀，所述截止阀插置在所述通道中以用于阻止或允许气体在所述通道的所述第一端部与所述第二端部之间通过；以及
止回阀，所述止回阀固定在所述喷嘴中。
2.根据权利要求1所述的阀组件，其中，所述止回阀包括本体，所述本体限定与所述通道连通的通路和与所述通路连通的腔室，所述腔室包括可移动阻挡部，所述可移动阻挡部能够移动成与所述通路接合以防止流体流动穿过所述止回阀、以及与所述通路脱离接合以允许流体流动穿过所述止回阀。
3.根据权利要求2所述的阀组件，其中，所述腔室具有比所述通路大的横向尺寸。
4.根据权利要求2所述的阀组件，其中，所述阻挡部容纳在所述腔室中。
5.根据权利要求2所述的阀组件，其中，所述通路比所述腔室更靠近所述通道。
6.根据权利要求2所述的阀组件，其中，所述通路处于比所述腔室低的压力下，以将所述阻挡部偏置成与所述通路接合。
7.根据权利要求2所述的阀组件，其中，所述阀组件还包括弹簧，所述弹簧位于所述腔室中并将所述阻挡部偏置成与所述通路接合。
8.根据权利要求1所述的阀组件，其中，所述喷嘴具有用于与气体管进行外螺纹连接的外螺纹，并且所述孔具有用于与所述止回阀的外螺纹进行内螺纹连接的内螺纹。
9.根据权利要求1所述的阀组件，所述阀组件还包括调节器，所述调节器插置在所述通道中以用于调节穿过所述通道的气体的流量。
10.根据权利要求1所述的阀组件，所述阀组件还包括位于所述储存容器中的吸附剂，所述吸附剂与所述通道连通。
11.一种用于从储存容器分配气体的方法，包括：
将腔室中的阻挡部偏置成与喷嘴中的通路接合以防止流体从所述通路流通到所述腔室；
将所述储存容器的内部容积与所述喷嘴连通，
将所述腔室中的压力减小到所述通路中的压力以下，足以使所述阻挡部移动脱离与所述通路的接合，以准许流体从所述通路流通到所述腔室。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括使来自所述储存容器的气体穿过所述通道经过所述阻挡部并穿过所述喷嘴。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述偏置由弹簧提供。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述偏置由压差提供。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述的减小所述腔室中的压力，将压力的减小传递至柔性构件，所述柔性构件弯曲以打开端口，从而使所述储存容器中的流体能够流动穿过所述通道。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述的减小所述腔室中的压力，将压力的减小传递至所述储存容器中的吸附剂，以解吸吸附在所述吸附剂上的流体，以使所述储存容器中的流体能够流动穿过所述通道。
17.根据权利要求11所述的方法，其中，所述阻挡部容纳在止回阀中，并且所述方法还包括从所述喷嘴移除所述止回阀，并且将气体管固定至所述喷嘴以用流体填充所述储存容器。
18.一种用于从储存容器分配气体的阀组件，包括：
喷嘴，所述喷嘴用于从所述储存容器分配气体，所述喷嘴限定孔；
通道，所述通道具有与所述喷嘴连通的第一端部和与所述储存容器的内部容积连通的第二端部；
截止阀，所述截止阀插置在所述通道中以用于阻止或允许气体在所述通道的所述第一端部与所述第二端部之间通过；以及
止回阀，所述止回阀固定在所述孔中，所述止回阀包括外部本体，所述外部本体限定与所述通道连通的通路和与所述通路连通的腔室，所述腔室包括可移动阻挡部，所述可移动阻挡部能够移动成与所述通路接合以防止流体流动穿过所述止回阀、以及与所述通路脱离接合以允许流体流过所述止回阀。
19.根据权利要求18所述的阀组件，其中，所述通路处于比所述腔室低的压力下以将所述阻挡部偏置成与所述通路接合。
20.根据权利要求18所述的阀组件，其中，所述喷嘴具有用于与气体管进行外螺纹连接的外螺纹，并且所述孔具有用于与所述止回阀的外螺纹进行内螺纹连接的内螺纹。
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