CN1493803A - 用于压力容器的失效保护排气阀 - Google Patents
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Abstract
本发明装置使用一个压力响应阀件以提供一个有效的失效安全系统,用来防止来自于压力气瓶或气罐的流体的危险性排出。一个隔膜控制阀件的运动以防止气体从气罐中排出,直到有预定压力状况出现在单向阀的下游为止。该系统对胂气的输送特别有利且对意外排出提供多道安全保护。
Description
本发明涉及一种用于像压力容器或充气钢瓶一样的储存容器的排气阀,该压力容器或充气钢瓶设有多道防止容器中的物质意外泄漏的保护装置。
许多工业加工和生产的实施都需要使用剧毒流体。半导体材料的生产就是一种这种实施的例子,其中剧毒含氢的或含卤素的气体的安全储存和盛放是必不可少的。这样的气体包括硅烷、锗烷、氨水、磷化氢、胂(砷化氢)、锑化氢、硫化氢、硒化氢、碲化氢以及其它的卤素化合物。由于考虑到剧毒性和安全性,这些气体必须小心地储存和盛放在工业生产设备中。半导体工业在离子移入技术中特别依赖于作为砷(As)和磷(P)的来源的气态砷化氢(AsH3)和磷化氢(PH3)。离子移入技术系统通常使用压力高为10.4MPa(1500psig)的AsH3和PH3的稀薄混合物。由于这些气体的剧毒性和较高的蒸气压力,所以对于半导体工业来说,在这些气体的使用、运输以及储存过程中就要提高对安全性的关注。
将胂的盛放作为一个非常具体的例子来说明半导体工业是怎样来使用一种剧毒气体的,胂通常储存在一个压力为1825KPa(250psig)的压力容器中。在生产环境中胂气钢瓶处理具有各种各样的危险情况。一个140克气瓶内胂的泄漏能够污染一个带有高为3米天花板且面积为3,500平方米的建筑物的全部体积空间并达到立即致命(IDLH)的水平。如果泄漏量较大,这可能会在仅仅一两分钟内发生,这将意味着在泄漏源的附近区域内将有数小时处于极度致死的浓度。
一种胂的容器通常是使用一种一端带有一个阀的容量为500cc的气瓶。被增压到1825KPa(250psig)的液态胂将气瓶填充到其容量的20%(140克的胂)。一旦充气完毕,就将阀门关闭且将安全帽盖安装到阀的出口上。该气瓶比较轻(约2.5公斤)且该阀与气瓶的重量相比要结实一些,因此使气瓶阀端朝下从距离水泥地板上方3米或6米处落下将不会破坏阀或气瓶的整体性。这些小容量的气瓶的强度消除了使用通常出现在大容量气瓶上的保护阀的必要性。
一个获得该容器的最终用户将在通风良好的区域内去掉安全帽盖,并以通常的垂直方式将该容器安装一个最终使用装置上并将阀门打开。接着该容器则根据阀端的位置来排送液态或气态的胂。如果阀端向下,将排送胂液。如果阀端向上,将排送胂气。不管阀的位置怎样,最终使用装置使用的总是处于气相状态的胂,这种气态或者从气瓶中排出就是气体,或者在最终使用装置中将液体转换为气体。
在室温(22℃)下液态胂的饱和压力是1825KPa(250psig)。这意味着与装置的接头连接的容器中的任何泄漏或最终使用装置自身内的泄漏都将使胂以1825KPa的压力排到大气中。因此,那些对1825KPa或更高的压力保持绝对的密封的接头必须将这些装置的所有部件和供给容器连接起来。如果最终用户先开启阀门并接着去掉安全冒盖,则140克的胂将在短短的一两秒钟内全部喷出,特别的是阀端向下的情况下更是如此。如果有人以足够大的力矩旋转阀柄使之完全开启,以至阀柄紧紧卡住而使其它人误认为阀门是关闭的,在这种情况下,前述事件就可能会发生。将安全帽盖去掉或在错误地认为阀门是关闭的情况下将气瓶断开都可能导致胂的迅速的释放。
由于存在因为这些流体的不经意的释放会导致一种极其严重的潜在伤害和致死的原因,现有技术公开了一些用于防止剧毒流体出现灾难性释放的系统。目前通常常用的系统是将胂或其它剧毒的参杂剂保持在吸附剂上。例如US-A-4,744,221讲解了一种胂的储存及后续输送,它是通过使温度在-30℃到+30℃的胂与沸石相接触以使胂吸附在用于储存的沸石上来进行的。通过加热可以使胂从温度上升到175℃的沸石上分离出来。US-A-4,744,221所述的方法使得胂的输送具有一个需要加热的缺陷。加热的一个问题是储存容器通常具有一个相当大的热容量。储存容器的热容量在输送操作中会导致一个迟滞时间。而且,加热可能会分解胂而产生具有潜在的爆炸危险的氢气。胂的热解也可能对加工系统造成在气体压力方面的不必要的增加。
US-A-5,704,965、US-A-5,704,967、US-A-5,707,424和US-A-5,518,528也公开了一种用于含氢的和含卤素的气体的储存和排送系统,该系统是在室温下通过利用压力降低来将剧毒流体从对这些气体具有较高储存(吸附)能力的沸石材料上分离出来起作用的。更仔细地看专利US-A-5,518,528,该专利使用了一个排送组件来提供一个低于储存容器的内部压力的压力。该降低后的压力使吸附上的气体从固态的有形的吸附剂介质上分离出来。为了将吸附剂上的大部分胂回收回来,就必须使用非常低的压力。当(气瓶是完全)充满时,排送压力是可能是79.8kPa(600乇)。当(气瓶是)半充满时,将会降低到9.3kPa(70乇)。大多质量流率控制器估计会降低20kPa(150乇)的工作压力。在25kPa(150乇)压力下,吸附在吸附剂上的60%的胂仍留在吸附剂上。因此有必要对设备进行改进以安装用于利用高于40%的吸附剂型气瓶中的胂所需的具有非常低的压力的质量流率控制器。
US-A-4,936,877讲解了借助于扩张到转运气体中的胂的输送。在该系统中,胂经位于混合腔中的流率控制薄膜离开蓄积容器,该混合腔使转运气体与胂相接触。
阀锁装置提供了许多限制来自于转运气体储存装置的流体流动的方向机构。US-A-4,723,867以及US-A-4,738,693具体地公开了薄膜和隔膜元件在阀块中的使用,该阀块含有几个多路阀来防止在用于半导体工业的添加剂的输送中的流体的排放。
阀门的设计的常用技术公开了一种用于控制一个阀件的密封波纹管元件的使用。US-A-4,157,072公开了一种用于船用燃料油箱的排油阀。该专利讲解了如何安装一个密封波纹管来对较高的水压提供一个响应,该响应阻止燃油从沉没的轮船中排出。
本发明的一个主要的目的是降低剧毒流体或气体的意外喷出或释放发生的可能性。
本发明的另一个目的是消除采用吸附剂来控制剧毒流体的盛放、储存以及输送的必要性。
本发明还有一个目的是提供一种用于气罐或气瓶的阀,这种气罐或气瓶只有在处于供应状态下才排出其所容装的物质。
本发明的装置提供了一个调节器,该调节器能够自动地限制任何从储存容器出口输出的剧毒流体释放。该调节器在储存容器出口处或出口下游使用了一个条件响应阀件来防止流体的排出,除非在容器的外部存在适当的排出条件或者给压力调节器施加一个适当的排出条件。排出条件是一个预定条件,该预定条件在通常的储存和处理过程中阀的储存和处理期间和在正常的大气条件下极不可能出现。这样的条件可能包括调节器的加热、或者给调节器或在其周围加载电流、电压、磁场或异常的机械力。比较好的是,该调节器含有一个压力传感元件,直到出现预选的压力条件,或者更好的是,在调节器的下游存在一个真空条件之前该传感元件将始终防止流体排出。作为一种更进一步的保护装置,可以使排出条件满足受最终使用装置的专门控制,从而直到将容器恰当地安装在最终使用装置的内面或周围或安全地与最终使用装置相连,才会出现排出条件。采用这种方式,本发明能够提供一种用于到毒流体从储存容器中输出的失效保护系统。
为了(起到有效的保护)效果,容器的阀门或容器自身将安装有调节器。该调节器可以位于容器阀门的上游或下游。容器阀门上游位置对该调节器及其失效保护操作提供了主要的保护。
本发明最有效的使用是在储存容器中安装一个内部流量限制的附加保护装置。该流量限制将可靠地把来自于容器的气态流体的排量限制到一个较低的质量流率。该质量流率通常等于或大于容器必须采用的向最终使用装置供应气体的最大的理想流率,但该质量流率足以严格地限制任何意外地排出量。任何现有的流量限制装置都能起到流量节流器的作用。适当的流量限制可以包括,单独地或以结合的方式,堆积管、薄膜元件、或细小的有孔筛或滤网材料。一个细微的毛细管能够提供一种较好的流量限制,在此处,在长度和直径上的变化将容许对最大流体排出量进行校正。有用的流量限制可以位于容器出口或容器阀出口的上游的任何位置。流量限制最好位于供应气体的气罐或气瓶内部。
由于流体的质量流速排量将极大地超过经过相同节流后的开口的相应气体的质量流速排量,来自于容器的流体的排量会形成一个特殊的危险。因此,流量限制的进口的位置将有助于控制流量的排出。一个特别有利的方案是以防止流体从容器中排出的方式布置流量节流器进口。对于典型的胂缸体的20%充入体积,将流量节流器进口布置在气瓶的中点就可以在气瓶上端向下或向上条件下防止流体排出。而且,将进口安装在气瓶的径向中心,对于部分充气的气瓶的任何垂直或水平位置都将能够防止流体排出。
因此,在一个优选实施例中,本发明是一个用于控制来自于压力容器的出口的压缩流体的排出的装置。该装置包括一个用于与一个压力容器相联通的孔体以限定一个来自于容器的流体排出管道。安装在孔体内或孔体的前头的压力调节器含有一个阀件,该阀件用来在堵塞流体流经流体排出管道的密封位置和容许流体沿流体排出管道流动的开启位置之间运动。一个隔膜限定内部体积,该体积与孔体上游的压力条件分离并与阀件相配合,该阀件以下述方式来控制阀件的运动,即使阀件停留在密封位置上直到隔膜内侧相对于隔膜外侧之间的压力差使阀件移动到开启位置为止。
在另一个限定的装置的实施例中,本发明是一个气瓶和一个阀的组件,该组件是用于容纳压缩流体和控制压缩流体从气瓶中排出的。气瓶和阀组件包括一个瓶体和一个瓶口。该阀组件包括一个用来与瓶口密封装配的孔体。流体的进口由该孔体限定并与气瓶口相通。流体的出口由该孔体限定并位于气瓶外侧。流体的排出管道由位于流体进口和流体出口之间阀体限定。人工操纵的截止阀控制流体沿着流体排出管道流动。一个自动阀含有一个被偏压到一个密封位置的阀件,该密封位置阻止流体沿着流体排出管道流动。一个密封的波纹管位于流体排出管道的下游处,其一部分相对于孔体固定连接,另一部分可运转地与阀件相连以便在波纹管内外部之间的相对压力差使得波纹管伸长时将阀件从密封位置推向开启位置。
在一个主要的实施例中,本发明是一个方法和控制系统,用于将流体从流体容器中排出并防止流体从流体容器中非控制性的排出。该方法包括:将流体容器装满压缩流体;设置一个排出管道,用于从与流体容器的内部相通的出口流向位于容器外侧的输送口的受控排出流体的流动;通过一个控制阀来堵住流体流过排出管道,该控制阀对热、机械力或在正常大气条件范围之外的压力条件作出响应;给控制阀施加一个必要的热、机械力或压力条件以使之在需要时有选择地开启排出管路并释放压缩流体。
例如,控制阀能够对作为控制条件的电脉冲作出响应。直到电流到达阀门才有流出阀门的流动发生。脉冲电流起动仅使周期性的气体脉冲进入系统。该系统导管具有用于气体的充分的供给的足够的体积来满足脉冲之间的供给需求。如果工作期间在管路内发生泄漏,脉冲则限制任何可能的排出量。
图1是气瓶和顶置阀细件的断面图。
图2是气瓶和顶置阀组件的放大图。
图3是气瓶的内部的另一种方案。
图4是图3沿截面线3-3的断面图。
参见附图1,本发明从外侧看像一个典型的排送装置,它包括一个在顶端带有气瓶顶置阀12的容量为500cc气瓶10,并具有一个出口16。内部或气瓶含有一个毛细管13,该毛细管具有一个进口14,该进口14将胂气供应到阀门进口11。位于气瓶10的底部的液态胂储蓄池15直到枯竭为止将在胂气一离开气瓶就补充胂气并保持气瓶内的蒸气压力。位于阀门12内的调节器17含有一个波纹管组件28,该波纹管组件能够自动地控制胂气从气瓶中排出。手柄18使得能够手动控制主要的阀门元件19。
图2详细地表示出了调节器17和顶置阀12的内部结构。顺着胂气排出顶置阀12的管道,气体首先通过导管13的毛细流动面积进入阀门进口11。顶置阀12的壳体含有调节器17。进入的气体首先与提升头20形状的阀件相接触。弹簧21将提升阀20偏压在阀座22上以便在气体流动管道上形成一种封闭状态。提升阀20的顶部可以顶住一个弹性垫片或其它的密封元件以保持经过阀座22的可靠的密封。弹簧21通常将提升阀20压靠在阀座22直到具有波纹管23形状的调节器隔膜元件伸长而推动一个接触板24为止。接触板24作用在一个控制销25上,控制销25则将提升头20推离阀座22。胂气接着流过围绕着控制销25的销孔通道26并进入容纳有波纹管组件28的波纹管腔27。
波纹管组件28包括:一个波纹管导向件29,该导向件29封闭形成一个具有支撑波纹管23内侧的侧壁31的内部压力腔30;一个包围着波纹管23的外部的外部导套32;以及一个底部导板33。在波纹管23的上端处与波纹管导向件29的密封接触以及在波纹管23的下端处与接触板24的密封接触,通常将波纹与腔室27以及气体流动管道内的压力隔离开来。内部腔室30通常在大气压力下就被密封住从而使波纹管腔室27内的压力下降会造成波纹管内腔30内的气体使波纹管膨胀并推动接触板24向下顶动控制销25。波纹管导向件29使其外侧边缘与导套32保持接触。导套32对导板33进行定位。波纹管导向件29、导套32以及导板33一起将波纹管23封闭保护起来。控制销25穿过导板33内的中心孔以保持其与接触板24相连结。
穿过波纹管腔室27的胂气流经阀门进口34并经过密封表面35。螺纹套管36将多层金属隔膜夹在阀体50上由此形成一个可靠的密封以防止流体经阀杆38泄漏。手柄18结合螺纹阀杆38一起操作,迫使活塞51经位于隔膜48上的磨擦垫52使主要的阀门柱塞37向下移动以克服弹簧53的抵抗力。阀门柱塞37的向下运动将由螺帽55承载的聚四氟乙烯密封件54压在阀体50上以形成对表面35的密封。后退阀杆38离开隔膜48使得弹簧53迫使阀门柱塞37向上运动,由此分离密封表面35并容许气体流过孔口34。一旦经过密封表面,胂气则从腔室40流向出口41并流向阀门出口16。
设置调节器17使之能可靠地防止提升阀20开启直到阀体内的压力降低到真空状态。这种状态通常为500乇或更小。在调节器的这种设置条件下,无论安全帽盖是否移走,主阀的开启将不会排送来自于气瓶的胂。由于通常的最终使用装置是在小于100乇的压力下运转,所以在真空状态下以及特别是在500托或更小的压力下排送胂具有一些特殊的优点。例如,在所有胂气的连接处都是负压,所以,泄漏只会泄漏到最终使用装置中,这些泄漏会在最终使用装置处被装置自身立刻检测到。可以无需逐个检查接头来确定它们不泄漏。而且不需要外部压力调节器来将容器内压力降低到适于质量流量控制器的压力。更重要的是,在该胂气系统中的管路连接的意外开启所造成危险的程度要比在安全帽盖去掉情况下将气瓶阀门开启所造成的危险小得多。
在需要时,使用受到限制的流动管道能够在万一调节器17不能检测气体流动的情况下进一步增强安全性。在前面提到的限制器之外,许多形式的毛细尺寸流动区域具有像流动限制器的灵活性和可靠性。无论由一个或多个小直径的孔还是由紧紧叠在一起的部件来提供,这种类型的适当的限制器将比较好地将气态流体的输送限制到一个非常低的流率而通过毛细现象作用使得流体以较高流率流动。
例如,单孔毛细管能够将常压胂限制到3个标准立方厘米(sccm)的胂。再参见图1以对这种形式的流动限制器进行更详细的解释,毛细管13提供了气瓶10的唯一的出口。毛细管13的卷绕形状使进口14位于气瓶10的径向和轴向中心。毛细管的内径通常不会超过0.02mm(0.001inch),该直径将1825kPa(250psig)的胂的饱和压力能够使得胂流过管道的流率限制到60毫克/分钟。通常最终使用装置只需要3-10毫克/分钟(1-3sccm)。在60毫克/分钟流率下,将会花40个小时才能使容器排空。对于具有高为3米的天花板面积为10米×10米的房间将会花1个小时达到胂的立即致命(IDLH)的程度。一个小时应该为警告人们撤离的报警和为采取必要行动的快速反应小组提供了足够的时间。更重要的是,在胂气系统中的意外的开启或管路连接失败在真空运转系统中所造成危险的程度比在压力运转系统中所造成的危险程度要小得多。
毛细管的长度以及直径可以调节以提供一个通过限制器的最大的理想流率。在胂气以前面提到的流率输送的情况下,毛细管通常为15厘米长且孔的直径为12微米。如果毛细管的直径降低到9微米而保持其长度不变,将需要四根平行的毛细管来供应等量的流量。这种尺寸的毛细管可以由各种玻璃材料制造。适当的容积能克服玻璃的任何易碎度。
可以构造出各种各样的适合的毛细管。图3所示的是一个容器,它使用了一种由玻璃棒构成毛细管的改进形式,以提供一种直线毛细管装置13,其进口位于气瓶10的径向和轴向的中点。正如通过图4中的横断面视图更清除清楚地表示出来的,一根通常由不锈钢构成的金属管42保护性地将玻璃管46包围起来。玻璃管46的内径容纳有一个围绕在一根中心玻璃棒44周围的六根玻璃棒43构成的六角结构。且其中所有玻璃棒具有几乎相等的直径。玻璃棒43和玻璃管46的内侧面之间的缝隙45提供了用来计量流经毛细结构13′的气体的毛细尺寸的过流面积。将玻璃管热装在玻璃棒43和44上就提供一个刚性的管和棒的组件。因此,即使内部的玻璃棒断了,由玻璃管46将这些碎块牢固地包裹起来将保持经过玻璃管46内径的毛细流动。金属管42在热装在玻璃棒43和44周围时会对刚度和耐用性有帮助并提供一个加强装置。由于非必要的金属管42加强元件,玻璃棒或玻璃棒周围的玻璃管的破裂基本上不会改变经过毛细管结构13′的受限制的流动管道的功能。
由于毛细管是唯一的出口,用来填充气瓶的胂则必须经毛细管进入。气瓶的填充通常需要将液态胂泵送到气瓶中。液态胂的密度约比气态胂大500倍。因此对于大多数液态填充气态回抽的系统,填充所花的时间要比气瓶的排空时间短得多。
在使用中填充时间必须缩短,一个专用于气瓶填充的较大的孔口,可以减少在需要或必要时用于向用于其它气/气或液/气系统的填充/输送的气瓶再填充的时间。在这样的结构中,气瓶或阀门可以含有一个独立的进口,该进口绕过毛细管或其它流动限制。进入旁通孔口的流动可以受将列举到的压力、电或磁、或机械装置等几种可能性来控制。
也有可能利用可替代的限制来对气瓶填充。采用这样一种结构,一个能够起到限制元件作用的滤芯在两个不同的位置之间往复移动,其中一个位置用来填充容器,另一个位置用来从容器中回抽气体。对于这种限制器,它可以采用一种密封件的形式,其中密封件适于从密封表面离开以形成一个起始于限制流经阀体的流动的容器处的流体流动通道,以及适于移向密封表面以建立一个从容器到阀门出口的流体流动通道,该通道使流体流经限制器并限制来自于容器的流体流动。采用这种方式,单一孔口可以用于使流体自动地以不同的流率流进和流出容器。通过使孔口具有一个较大的经过大多数容器狭窄颈部的过流面积,使用一个单一的穿过容器的孔口就简化了容器气体的填充。一个可移动的限制器元件可还具有阀密封件,该密封件与限制元件一起移动以将气体的任何排出都堵住,除非限制器完全与密封面相接触。
Claims (18)
1.一种用于控制压缩流体从压力容器的出口排出的装置,该装置包括:
一个孔体用于与一个压力容器相联通以限定一个流体排出管道;
一个阀件,安装在孔体内或孔体的上游,并适于在堵塞流体流经流体排出管道的密封位置和容许流体沿流体排出管道流动的开启位置之间运动;
一个用来限定内部体积的隔膜,该体积与阀件上游的压力条件分离并与阀件相连接来以下述方式来控制阀件的运动,即让阀件停留在密封位置上直到隔膜内侧相对于隔膜外侧之间的压力差使阀件移动到开启位置为止。
2.根据叙利要求1所述的装置,其特征在于:所述的孔体将一个手动阀安装到阀件上。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:一个带有限制流动管路的导管构成了流体排出管道的一部分。
4.根据权利要求3所述的装置,其特征在于:导管中的密封件提供了该限制流动管路。
5.根据权利要求3所述的装置,其特征在于:该导管由内径不超过0.2mm的毛细管构成。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:隔膜含有一个波纹管。
7.根据权利要求1所述的装置,其特征在于:一个壳体限定了一个容纳波纹管的波纹管腔室,该波纹管腔室与位于阀件下游的一部分流体排出管道相通,且当与排出管道的联通在波纹管腔室中产生真空状态时,波纹管密封有足够的内部压力来将阀件推到开启位置。
8.根据权利要求5所述的装置,其特征在于:阀件包括一个提升阀,且波纹管的膨胀使得销将提升阀推到开启位置。
9.一种用于容纳压缩流体和控制压缩流体从气瓶中排出的气瓶和阀组件,该气瓶和阀组件包括:
一个确定一个瓶口的气瓶;
一个用于与瓶口密封装配的孔体;
一个由孔体限定并与位于气瓶内的流体进口;
一个由孔体限定并位于气瓶外的流体出口;
一个由位于流体进口和流体出口之间阀体限定的流体排出管道;
一个用于控制流体沿着流体排出管道流动的人工控制的截止阀;和
一个自动阀,它含有一个被偏压到一个密封位置的阀件,该密封位置阻止流体沿着流体排出管道流动;一个密封的波纹管位于流体排出管道的下游处,其一部分相对于孔体固定连接,另一部分可运转地与阀件相连,以使在波纹管内外部之间的相对压力差使得波纹管伸长时将阀件从密封位置推向开启位置,该阀件开启位置使流体可沿流体排出管道流动。
10.根据权利要求9所述的装置,其特征在于:孔体限定了包围波纹管的波纹管腔。
11.根据权利要求9所述的装置,其特征在于:波纹管宜使阀件响应波纹管腔的真空条件而移向开启位置。
12.根据权利要求9所述的装置,其中该阀件包括一个提升阀。
13.根据权利要求9的装置,其特征在于:孔体限定了一条沿流体排出管道长度的限制流动管路。
14.根据权利要求13的装置,其特征在于:该限制流动管路包括内径小于0.2mm的毛细管。
15.根据权利要求14的装置,其特征在于:该毛细管限定了一个流体进口,该流体进口位于气瓶长度的中点附近。
16.根据权利要求15的装置,其特征在于:该毛细管使进口管保持在气瓶的径向中点附近。
17.一种从容器中排出流体并防止流体非控制性地从容器中排出的方法,该方法包括:
将压缩流体装入一个容器;
设置一个排出管道,用于从与流体容器内部相通的出口流向位于容器外侧的输送口的受控排出流体的流动,通过一个控制阀来堵住流体排出通道,该控制阀对正常大气条件范围之外的磁、电、热或机械力作出响应;和
给控制阀施加一个必要的磁、电、热、压力或机械力,以开启排出管路并释放压缩流体。
18.根据权利要求17的方法,其特征在于:该控制阀对磁场作出响应。
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