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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Druckanzeigevorrichtung, die an einem Benutzeranschluss von unterschiedlichen Gaspackungen angebracht ist. Die Vorrichtung kann eine Ventilundichtigkeit visuell anzeigen und die Leckage eingrenzen, um ein Entweichen jeglichen Materials innerhalb des Zylinders zu verhindern.
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Hintergrund der Erfindung
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Industrielle Verarbeitungs- und Fabrikationsanwendungen wie z. B. die Halbleiterfertigung erfordern typischerweise eine sichere Handhabung von toxischen Gasen, Schadgasen und/oder brennbaren hydrid- und halidhaltigen Gasen und Gemischen daraus. Beispielshalber ist die Halbleiterindustrie häufig auf die gasförmigen Hydride von Silan (SiH4) und auf verflüssigte komprimierte Gase wie z. B. Arsin (AsH3) und Phosphin (PH3) für die Wafer-Verarbeitung angewiesen. Verschiedene Halbleiterverfahren benutzen SiH4, AsH3 oder PH3 von Behältern mit Speicherdrücken bis zu 1500 psig. Infolge ihrer extremen Toxizität und/oder Pyrophorität und einem hohen Dampfdruck kann eine unkontrollierte Freisetzung dieser Gase infolge eines Ausfalls von Liefersystemkomponenten oder durch menschliche Fehler bei den Prozeduren des Zylinderwechsels zu katastrophalen Folgen führen. Beispielsweise kann die Freisetzung eines brennbaren Gases wie z. B. Silan zu Feuerausbrüchen, Systembeschädigungen und/oder zu möglichen Personenschäden führen. Die Leckage eines hoch toxischen Gases wie z. B. Arsin könnte Personenschäden oder sogar Todesfälle zur Folge haben.
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Nach dem Befüllen einer Packung mit einem pyrophores Gas wie z. B. Silan wird die Packung mit einer Auslasshaube versehen. Allerdings kann sich eine interne Leckage von Silan über dem Ventilsitz in einem Totraumvolumen hinter der Auslasshaube ansammeln. Wird die Haube entfernt, kann das Silan aus dem Benutzeranschluss austreten und mit Luft in Kontakt kommen, was zu einem ”Knall”-Geräusch führt. Das Knallgeräusch kann von einer Flamme in dem Benutzeranschluss begleitet sein. Relativ kleinere Silanundichtigkeiten können eine Leckage nicht sichtbar anzeigen, aber immer noch ein Knallgeräusch bewirken, wenn das Silan mit Luft in Kontakt kommt. Das Knallen kann auch durch eine Flamme in dem Benutzeranschluss begleitet werden.
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Die interne Leckage von Silan über dem Ventilsitz kann während des Transports der Silanzylinder auftreten, wobei währenddessen ein ausreichender Kraftimpuls auf den Ventilsitz einwirken kann, wodurch sich dieser kurzzeitig öffnet und wieder schließt. Dieses kurzzeitige Öffnen des Ventilsitzes ist in der Industrie als ”Rülpsen” (Burping) bekannt, und kann den Raum unter der Auslasshaube hinreichend unter Druck setzen, sodass ein Knallen auftritt, wenn die Haube entfernt wird. Das Rülpsen kann bei federbelasteten pneumatischen Ventilen ein besonderes Problem darstellen.
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Zusätzlich kann Silan oxidieren, um weiße Partikel aus Siliziumdioxid auszubilden, die sich anschließend auf dem Ventilsitz abscheiden. Aufgrund der abgeschiedenen Partikel kann das Ventil keine leckdichte Versiegelung mehr bewerkstelligen, wenn es verschlossen wird, was zu einer Leckage über dem Anschluss führt (in der Gasindustrie als ”Anschlussleckage” (cross porting) bekannt).
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Es besteht ein unerfüllter Bedarf nach einer Verbesserung der Sicherheit von Silan-Packungen. Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich für die Fachleute anhand der Beschreibung, den Zeichnungen und den beiliegenden Ansprüchen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Druckanzeigevorrichtung, die an einem Benutzeranschluss eines unter Druck stehenden Zylinders befestigt ist. Die Vorrichtung hat eine flexible scheibenartige Struktur, die genau abgestimmt werden kann, um sich in Ansprechen auf einen Druckaufbau des Gases, der gegen die scheibenartige Struktur ausgeübt wird, nach außen zu biegen. Die gebogene Scheibe kommt mit einem beweglichen Stift in Kontakt und schiebt den Stift von innerhalb der Vorrichtung nach außen. Durch die nach außen verlaufende Bewegung durchsticht der Stift eine sich über die Vorrichtung erstreckende Dichtung und stellt dadurch eine visuelle Anzeige einer internen Undichtigkeit über einem Ventilsitz von dem Ventilinneren des Zylinders bereit. Die Vorrichtung ist dahingehend konfiguriert, eine derartige Anzeige nur dann bereitzustellen, wenn gefährliche Gaspegel innerhalb des Zylinders entwichen sind. Auf diese Weise teilt die visuelle Anzeige dem Benutzer mit, die Vorrichtung nicht von dem Benutzeranschluss zu entfernen und den Zylinder nicht für die Belieferung des in dem Zylinder enthaltenen Gases zu verwenden. Die Vorrichtung widersteht dem gegen sie ausgeübten Druck, wodurch die Leckage des unter Druck stehenden Gases auch eingegrenzt wird.
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Die Erfindung kann jeden der nachfolgenden Aspekte in unterschiedlichen Kombinationen und zusätzlich jeden anderen Aspekt umfassen, der in der nachstehenden Beschreibung oder in den beiliegenden Zeichnungen erläutert ist.
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In einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Druckanzeigevorrichtung zum Registrieren und Eingrenzen einer Leckage von unter Druck stehendem Gas aus einem geschlossenen Ventil eines Gaszylinders bereitgestellt. Die Druckanzeigevorrichtung umfasst ein Gehäuse, das teilweise durch einen oberen Gehäuseabschnitt und einen unteren Gehäuseabschnitt ausgebildet ist, wobei der obere Gehäuseabschnitt durch einen sich durch ihn erstreckenden inneren Kanal und der untere Gehäuseabschnitt durch einen sich durch ihn erstreckenden Gasströmungskanal gekennzeichnet ist. Der untere Gehäuseabschnitt ist innerhalb eines Benutzeranschlusses des Zylinderventils vorgesehen. Ein beweglicher Stift ist innerhalb des inneren Kanals des oberen Gehäuseabschnitts angeordnet. Eine feste Membran ist zwischen dem oberen und dem unteren Gehäuseabschnitt im neutralen Zustand vorgesehen. Die Membran weist eine Unterseite und eine Oberseite auf. Die Oberseite der festen Membran ist zu dem Stift hin ausgerichtet und die Unterseite der festen Membran ist zu dem unteren Gehäuseabschnitt hin ausgerichtet, wobei die Unterseite in Fluidverbindung mit dem Gasströmungskanal steht. Die Membran ist entlang ihrem Rand dicht verschlossen. Eine Dichtung ist bereitgestellt, die sich entlang einer Außenfläche des oberen Gehäuses erstreckt, durch das der Stift vorgeschoben wird, wenn er sich in dem aktivierten Zustand befindet. Die feste Membran ist dazu ausgelegt, sich von einem neutralen Zustand zu einem aktivierten Zustand zu dem Stift hin in Ansprechen auf einen vorgegebenen Aktivierungsdruck zu verbiegen, der gegen mindestens einen Bereich der Unterseite der Membran ausgeübt wird. Die Membran biegt sich in dem aktivierten Zustand in einem ausreichenden Ausmaß gegen den Stift, sodass ein Bereich der Oberseite der Membran den Stift von innerhalb des inneren Kanals über eine ausreichende Axialdistanz hinweg durch das obere Gehäuse drängt, um den Stift aus dem Gehäuse heraus zu bewegen, wodurch er den Werkstoff durchsticht und die Leckage des unter Druck stehenden Gases von innerhalb des Innenraumvolumens des Zylinders visuell anzeigt.
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In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Sicherheitssystem zum Eingrenzen und Anzeigen einer Leckage von unter Druck stehendem Gas bereitgestellt. Das System umfasst einen Zylinder zum Aufbewahren eines unter Druck stehenden Gases; einen Benutzerpfad, der teilweise durch einen an einem oberen Teil des Zylinders befestigten Ventilkörper festgelegt wird; eine Druckanzeigehaube mit einem oberen Gehäuse und einem daran zusammengefügten unteren Gehäuse, wobei das untere Gehäuse innerhalb des Benutzerpfades des Zylinders in Gewindeeingriff steht und einen Gasströmungskanal aufweist, der zur Aufnahme eines Durchflusses des unter Druck stehenden Gases konfiguriert ist; wobei die Haube ferner eine zwischen dem oberen Gehäuse und dem unteren Gehäuse angeordnete Scheibe aufweist, deren Umfang feststellbar an entsprechenden Randbereichen des oberen und des unteren Gehäuses befestigt ist; einem innerhalb des oberen Gehäuses angeordneten beweglichen Stift, der mit einem vorgegebenen Abstand zu der Oberseite der Scheibe angeordnet ist; wobei die Oberseite der Scheibe dazu konfiguriert ist, sich in Ansprechen auf einen vorbestimmten Druckaufbau innerhalb des Gasströmungskanals, der gegen die Scheibenunterseite ausgeübt wird, von einem neutralen Zustand zu dem Stift hin zu verbiegen, und wobei die Oberseite der Scheibe in einem ausreichenden Ausmaß gebogen wird, um eine Kraft auszuüben, die den Stift von dem oberen Gehäuse aus nach außen in einer axialen Richtung verschiebt, wodurch eine Druckleckage registriert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen im Zusammenhang mit den beiliegenden Figuren besser verständlich werden, in welchen die gleichen Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale beziehen und in welchen:
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1a eine die Prinzipien der Erfindung umsetzende Druckanzeigevorrichtung darstellt, wobei die Vorrichtung an einem seitlichen Anschluss eines Ventilkörpers angebracht ist;
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1b eine Querschnittsansicht eines Ventils mit einem seitlichen Benutzeranschluss zeigt, mit dem die Druckanzeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung in Eingriff treten kann;
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2a eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von 1a darstellt, wobei sich die Vorrichtung in einem neutralen Zustand befindet;
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2b eine Querschnittsansicht der Vorrichtung von 1a zeigt, wobei sich die Vorrichtung in einem aktivierten Zustand befindet;
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3 eine perspektivische Ansicht der Druckanzeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung der 1 und 2 darstellt; und
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4 Komponenten vor dem Zusammenbau der Druckanzeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Druckanzeigevorrichtung. Die Offenlegung erfolgt in unterschiedlichen Ausführungsformen und mit Bezug auf verschiedene Aspekte und Merkmale der Erfindung.
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Die Beziehungen und Funktionsweise der verschiedenen Elemente der Erfindung werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung besser verständlich werden. Die ausführliche Beschreibung berücksichtigt Merkmale, Aspekte und Ausführungsformen in unterschiedlichen Umsetzungen und Kombinationen, die im Rahmen der Erfindung liegen. Die Erfindung kann daher dahingehend spezifiziert werden, dass sie jegliche solcher Kombinationen und Umsetzungen dieser spezifischen Merkmale, Aspekte und Ausführungsformen bzw. im Wesentlichen mindestens eine ausgewählte Kombination oder Umsetzung davon aufweist.
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1a zeigt eine Ausführungsform einer Druckanzeigevorrichtung 100 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 ist wie dargestellt an einem seitlichen Benutzeranschluss 108 eines manuellen Ventilkörpers 101 befestigt. Eine Querschnittsansicht eines pneumatischen Ventilkörpers 101, in den die Vorrichtung 100 eingesetzt werden kann, ist in 1b gezeigt. Entlang eines unteren Gehäuses 106 (1a) der Vorrichtung 100 angeordnete Gewinde können mit Gewinden entlang des Benutzeranschlusses 108 in Gewindeeingriff stehen. Der Gewindebereich (1a) des Ventilkörpers 101 kann an der Oberseite eines Zylinderkörpers angebracht sein.
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In dem Fall, dass in dem Zylinder gespeichertes unter Druck stehendes Gas über einen Ventilsitz 111 (1b) des Ventilkörpers 101 leckt, kann sich das Gas in einem Totraumvolumen 112 (1b) benachbart zu der Vorrichtung 100 ansammeln, wodurch bewirkt wird, dass der Druck auf den Fülldruck des Zylinders ansteigt.
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Die 2a und 2b stellen die Druckanzeigevorrichtung 100 der 1a und 1b in einer Querschnittsansicht dar, wobei eine Vorrichtung 200 in einem neutralen Zustand bzw. in einem aktivierten Zustand gezeigt wird. Für die Fachleute sollte sich verstehen, dass sämtliche Elemente der Vorrichtung 100 aus den 1a und 1b in den 2a und b inkorporiert sind. Infolgedessen sollten sich die Elemente und Merkmale der in den 2a und 2b dargestellten Vorrichtung 200 mit Bezug auf die in den 1a und 1b gezeigten Elemente und Merkmale verstehen.
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Mit Bezugnahme auf die 2a und 2b wird der Druckanstieg gegen eine flexible Membran 206 der Vorrichtung 200 ausgeübt. Allgemein gesagt und wie nachfolgend ausführlicher erörtert umfasst die Vorrichtung 200 einen beweglichen Stift 204, der dazu konfiguriert ist, von einer flexiblen Membran 206 in Ansprechen auf den Druck nach außen gedrückt zu werden. Wenn sich der Stift 204 axial nach außen verlagert, durchsticht er einen über einem oberen Gehäuse 201 angeordneten Werkstoff 213, wie in 2b dargestellt. Der Stift 204 bleibt in einem sogenannten ”aktivierten Zustand” ausgefahren, wenn die Vorrichtung 200 den Druck eingrenzt und beibehält, wodurch verhindert wird, dass das unter Druck stehende Gas über die Vorrichtung 200 hinaus leckt. Der ausgefahrene Stift 204 und der durchstochene Werkstoff 213 fungieren als eine visuelle Anzeige für das Vorliegen erhöhter Gasleckagepegel über dem Ventilsitz 111 und in den Benutzeranschluss 108. Auf diese Weise kann ein Benutzer sehen, wenn der Zylinder eine inakzeptable Gasleckage aufweist, die für einen Einsatz ungeeignet ist. Die Fähigkeit der Vorrichtung 200 zum Eingrenzen einer Leckage von unter Druck stehendem Gas sowie zum Registrieren einer derartigen Leckage vor dem Einsatz des Zylinders sorgt für ein erhöhtes Maß an Sicherheit.
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Die 2a und 2b zeigen die Vorrichtung 200, welche die Vorrichtung 100 von 1 in einer Querschnittsansicht repräsentiert. Für die Fachleute sollte sich verstehen, dass die Elemente von 1 in den 2a und 2b inkorporiert sind. Infolgedessen sollten sich die in 2 dargestellten Elemente und Merkmale der Vorrichtung 200 mit Bezug auf die in 1 gezeigten Elemente und Merkmale beziehen.
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2a stellt eine Querschnittsansicht der Vorrichtung 200 im entspannten Zustand dar. Ein ”entspannter Zustand”, wie er hier und insgesamt in dieser Beschreibung verwendet wird, definiert sich durch die Abwesenheit einer Gasleckage oder alternativ durch die Abwesenheit einer Gasleckage in einem Ausmaß, das ausreicht, einen Druck gegen die flexible Membran 206 der Vorrichtung 200 zu erzeugen, der den beweglichen Stift 204 von dem Inneren des oberen Gehäuses 201 nach außen zu drücken. Die Begriffe ”entspannt” und ”neutral” sind in der Beschreibung austauschbare Begriffe und beziehen sich beide auf die gleiche Bedeutung eines Zylinders in einem sicheren Betriebszustand.
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2a zeigt den in einem entspannten Zustand konfigurierten beweglichen Stift 204. Der Stift 204 ist vollständig innerhalb des oberen Gehäuses 201 angeordnet. Die Spitze des Stifts 204 befindet sich wie dargestellt unter dem Werkstoff 213 und vollständig innerhalb des oberen Gehäuses 201. Vorzugsweise steht die Spitze mit dem Werkstoff 213 nicht in Kontakt, wenn sich der Stift 204 in dem entspannten Zustand befindet, um eine versehentliche Perforation des Werkstoffes 213 zu vermeiden. Wie dargestellt weist der Stift 204 keine Gewinde auf, um ein kontrolliertes Gleiten innerhalb des oberen Gehäuses 200 zu ermöglichen. Wie dargestellt ist eine Feder 203 um die Basis des Stifts 204 herum gewickelt. Die Schraubenfeder 203 übt eine schwache nach unten ausgerichtete Kraft gegen den Stift 204 aus, um ein unbeabsichtigtes Ausfahren des Stifts 204 zu vermeiden, wenn er sich in dem entspannten Zustand befindet. In einem Beispiel kann die Feder 203 auf einen Wert zwischen 1–10 psi eingestellt werden, um eine Bewegung des Stifts 204 in dem entspannten Zustand zu verhindern.
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Die Membran 206 ähnelt einer scheibenartigen Struktur, die aus jedem geeigneten Material einschließlich Federstahl oder anderen Metalllegierungen ausgebildet werden kann. Die Membran 206 ist dazu ausgelegt, den Stift 204 zu biegen und aus dem oberen Gehäuse 201 heraus zu drängen, wenn eine ausreichende Leckage von Gas über dem Ventilsitz 111 und in dem Benutzeranschluss 108 (1b) auftritt. Dann strömt das austretende Gas durch einen Gaskanal 217 der Vorrichtung 200 und endet in einem Reservoir 208, in dem der Druck auf einen vorgegebenen Aktivierungsdruck ansteigen kann, der ein Verbiegen der Membran 206 nach oben zu einer in 2b dargestellten kuppelartigen Form ermöglicht, damit die Vorrichtung 100 einen gebogenen oder aktivierten Zustand einnehmen kann. Die Begriffe ”gebogen” und ”aktiviert” haben in der hier benutzten Verwendung beabsichtigterweise die gleiche Bedeutung und sind in dieser Beschreibung untereinander austauschbar.
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Die 2a und 2b zeigen, dass die Membran 206 zwischen den oberen bzw. unteren Gehäuseabschnitten 201 bzw. 207 angeordnet ist. Die Membran 206 hat eine Unterseite 231 und eine Oberseite 230. Die Oberseite 230 ist dazu ausgelegt, zu dem Stift 204 hin zu weisen. 2a stellt dar, dass ein vorgegebener Spalt 235 zwischen der Oberseite 230 und der Unterseite des Stifts 204 besteht, um ein Verbiegen der Membran 206 nach oben zu dem Stift 204 hin zu ermöglichen. Die Unterseite 231 der Membran 206 weist in einer Richtung zu dem unteren Gehäuseabschnitt 207 hin. Die Unterseite 231 stößt in dem entspannten Zustand (2a) vorzugsweise gegen das untere Gehäuse 207 an. Die Ränder 236 und 237 der Membran 206 sind zwischen dem oberen Gehäuse 201 und dem unteren Gehäuse 207 fest abgedichtet. In einer Ausführungsform werden die Ränder 236 und 237 mittels Schweißen einer Wulst um den gesamten Umfang der Vorrichtung 100 herum abgedichtet. Das Schweißen kann unter Verwendung eines beim Stand der Technik bekannten Orbitalschweißgeräts erfolgen. Die Dicke der Wulst entspricht vorzugsweise der Wandstärke des oberen Gehäuses 201 oder übertrifft diese. Die Ränder 236 und 237 sind somit abgedichtet und bleiben zu jedem Zeitpunkt (d. h. während des entspannten Zustands von 2a und des aktivierten Zustands von 2b) stationär, um zu verhindern, dass Gas nach außen über das Reservoir 208 hinaus strömt und möglicherweise über die Ränder 236 und 237 und aus der Vorrichtung 200 heraus zu lecken. Die Bereiche der Membran 206 innerhalb der Ränder 236 und 237 sind an keinen Oberflächen des oberen Gehäuses 201 oder des unteren Gehäuses 207 angebracht oder befestigt, weshalb sich die Membran 206 verbiegen kann. Die Unterseite 231 steht mit dem Reservoir 208 und dem Gasströmungskanal 217 in Fluidverbindung.
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Im Fall einer Undichtigkeit über dem Ventilsitz 111 (1b) und in den Benutzeranschluss 108 (1b) kann das im Inneren eines Zylinders enthaltene Gas in den Gaskanal 217 strömen und sich innerhalb des Reservoirs 208 ansammeln. Das Reservoir 208 kann jede Querschnittsform aufweisen. In der Ausführungsform aus 2a und 2b hat das Reservoir 208 eine rechteckige Form. Das Reservoir 208 ist dazu ausgelegt, ein vorgegebenes Volumen aufzuweisen, das vorzugsweise einen größeren Querschnitt als derjenige des Gaskanals 217 hat, um einen ausreichenden Druckaufbau in ihm auf einen Aktivierungsdruckpegel zu ermöglichen, der die Membran 206 auf adäquate Weise verformt, um den Stift 204 axial nach oben über das obere Gehäuse 201 hinaus zu drücken.
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2b stellt dar, dass wenn sich das Gas fortwährend innerhalb des Reservoirs 208 ansammelt, der Druck auf einen vorgegebenen Schwellwert oder Aktivierungsdruck ansteigt, wodurch sich die Membran 206 nach oben in den vorgegebenen Spalt 235 biegt. Die Membran 206 durchläuft eine konfigurative Veränderung und geht von dem entspannten Zustand von 2a zu dem gebogenen Zustand von 2b über. Die Oberseite 230 der gebogenen Membran 206 drückt gegen den Stift 204. Die Membran 206 drängt den Stift 204 von innerhalb des oberen Gehäuses heraus, wodurch der Stift 204 durch das obere Gehäuse 201 vorsteht und den Werkstoff 213 durchsticht. Der durchstochene Werkstoff 213 und der axial ausgefahrene Stift 204 zeigen eine Leckage von Gas über dem Ventilsitz 111 visuell an. Wenn es sich bei dem gespeicherten Gas um Silan handelt und eine Leckage bei gefährlich hohen Pegeln aufgetreten ist, die zu einem Silan-Knalleffekt führen kann und soll die Vorrichtung 200 von dem Ventilkörper 101 entfernt werden, erweist sich die Erfindung als besonders sinnvoll. Die Druckanzeigevorrichtung 200 der vorliegenden Erfindung kann hier die Gefahr eines Silan-Knalleffekts signifikant verringern, indem der Benutzer in Kenntnis gesetzt wird, die Vorrichtung 200 nicht von dem Benutzeranschluss 108 des Zylinders zu entfernen.
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Ein umgebender oder stabilisierender Werkstoff 218 weist eine ausreichende Steifheit auf, um die Membran 206 in der in 2b dargestellten gebogenen endgültigen Konfiguration zu stabilisieren, abzustützen und beizubehalten. Der Werkstoff 218 ist genügend steif, um stationär zu verbleiben, wenn die Membran 206 von dem entspannten Zustand in den aktivierten Zustand übergeht. Der spezifische Typ des Werkstoffs 218 wird so ausgewählt, dass die Tendenz der Membran 206 zu einem übermäßigen Verbiegen verhindert wird, wodurch auch ein mögliches Zerreißen der Membran 206 vermieden wird. Auf diese Weise verleiht der Werkstoff 218 der gebogenen Membran 206 eine strukturelle Abstützung und hält die Membran 206 in ihrer gebogenen Position. Der Werkstoff 218 ermöglicht es, dass die Membran 206 das unter Druck stehende Gas innerhalb des Reservoirs 208 eingrenzt. Sollte sich der gegen die Unterseite 231 der Membran 206 ausgeübte Druck erhöhen, weist der umgebende Werkstoff 218 eine ausreichende Steifigkeit auf, um einem derartigen Druckzuwachs entgegenzuwirken, wodurch vermieden wird, dass die gebogene Membran 206 weiterhin eine Tendenz zum Verbiegen und/oder zu einer axialen Aufwärtsbewegung hat. Die Kombination aus Membran 206, umgebendem Werkstoff 218 und weiteren Komponenten der Vorrichtung 200 ist so entworfen und aufgebaut, dass vorzugsweise ein maximaler Druck entsprechend etwa 5/3 des Zylinder-Nenndrucks beibehalten wird.
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Ferner wird der spezifische Typ an umgebendem Werkstoff 218 vorzugsweise als ausreichend steif ausgewählt, um den maximalen axialen Abstand der Membran 206 zu begrenzen. Kommerziell verfügbare Delrin®-Harze und andere beim Stand der Technik bekannte und kommerziell verfügbare geeignete Kunststoffe können in der vorliegenden Erfindung zur Verleihung der erforderlichen Steifigkeit verwendet werden.
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2a stellt dar, dass zusätzlich zu dem vorgegebenen Spalt 235 zwischen der Unterseite des Stifts 204 und der Membran 206 ein vorgegebener Spalt 286 zwischen der Unterseite des umgebenden Werkstoffes 218 und der Membran 206 in dem entspannten Zustand vorhanden ist. Der vorgegebene Spalt 286 wird erzeugt, indem sich die Unterseite des umgebenden Werkstoffes 218 nach innen von den Rändern 236 und 237 zu jeder der Seiten des Stifts 204 hin verjüngt, wie in 2a dargestellt. Der vorgegebene Spalt 286 ermöglicht eine axiale Bewegung der Membran 206, wenn sie sich verbiegt, und er kann den maximalen Axialabstand repräsentieren, mit dem sich die Membran 206 biegen kann. Damit der Stift 204 nach außen durch den Werkstoff 213 gedrückt wird, verbiegt und bewegt sich die Membran 206 um den erforderlichen Abstand in Ansprechen auf den Aktivierungsdruck (d. h. denjenigen Druck, bei dem die Vorrichtung 200 inakzeptable Leckagepegel von Gas über dem Ventilsitz 111 durch den den Werkstoff 213 durchstechenden Stift 204 visuell anzeigt). Die Membran 206 kann sich weiter nach oben biegen, bis sie mit dem umgebenden Werkstoff 218 in Kontakt kommt. Wenn sich die Membran 206 nach oben verbiegt und gegen den umgebenden Werkstoff 218 stößt, wird dem Gasdruck gegen die Unterseite der Membran 206 durch den Druck entgegengewirkt, der nach unten gegen die Oberseite 230 der Membran 206 durch die umgebenden Werkstoffe 218 ausgeübt wird. Die Membran 206 nimmt eine gebogene Endposition ein, in der sie im Wesentlichen so lange verbleibt, bis der Aktivierungsdruck gegen die Unterseite 231 aufgehoben wird. Der vorgegebene Spalt 235 zwischen der Membran 206 und dem Stift 204 sowie der vorgegebene Spalt 286 zwischen der Membran 206 und dem umgebenden Werkstoff 218 verringern sich beide auf im Wesentlichen Null. Eine derartige Reduzierung jeder der Spalte 235 und 286 ist mit einem entsprechenden Volumenzuwachs des Reservoirs 208 assoziiert, wie in 2b dargestellt.
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Immer noch auf 2a Bezug nehmend kann der Stift 204 im entspannten Zustand mit einem vorgegebenen Spalt 290 in Abstand zu dem umgebenden Werkstoff 218 angeordnet werden. Wird der Stift 204 durch die Membran 206 in Ansprechen auf einen Aktivierungsdruck verlagert, kann sich der Stift 204 axial nach oben um einen Abstand bewegen, der dem Spalt 290 entspricht. Der Abstand des Spalts 290 ist zur Sicherstellung ausgelegt, dass sich die Spitze des Stifts 204 über den oberen Gehäuseabschnitt 201 hinaus erstrecken und den Werkstoff 213 durchstechen kann, wenn sich die Membran 206 biegt.
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3 stellt eine Vorrichtung 300 dar, welche die Vorrichtung 200 aus 2 in perspektivischer Ansicht repräsentiert. Ein unteres Gehäuse 307 verfügt über Dichtbauteile, die eine Gasleckage über die Vorrichtung 200 verhindern. Im Einzelnen sind wie dargestellt ein Dichtbauteil 310 und eine Dichtung 339 entlang des unteren Gehäuses 307 angeordnet. Das Dichtbauteil 310 und die Dichtung 339 treten innerhalb des seitlichen Anschlusses 108 des Ventilkörpers 101 in Eingriff (1b), um zu verhindern, dass intern ausströmendes Gas (d. h. über den Ventilsitz 111 geströmtes Gas) über die Vorrichtung 300 hinausströmt und an die Atmosphäre entweicht. Gewinde 340 können an komplementären Gewinden entlang des seitlichen Anschlusses 108 des Ventilkörpers 101 in Gewindeeingriff treten. Es sollte sich verstehen, dass auch andere beim Stand der Technik bekannte Variationen zur Erzeugung abdichtender Oberflächen zwischen der Vorrichtung 300 und dem Ventilkörper 101 berücksichtigt sind.
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Die Kriterien für den Entwurf einer geeigneten Vorrichtung 200 gemäß den in den 1a, 1b und den 2a, 2b dargestellten Ausführungsformen können von unterschiedlichen Parametern abhängen. So würde der Entwurf der Vorrichtung 200 beispielsweise verschiedene Parameter einschließlich der Bestimmung des minimalen Aktivierungsdrucks innerhalb des Reservoirs 208 berücksichtigen, bei welchen erhöhte Pegel an ausströmendem Gas als toxisch erachtet werden oder bei einer Freisetzung an die Atmosphäre einen kleinen Brand bzw. Knallgeräusche verursachen würden. In einer Ausführungsform kann der Aktivierungsdruck, bei welchem die Membran 206 zu einem Verbiegen ausgelegt ist und den Stift 204 zum Durchstechen des Werkstoffs 213 nach außen drückt, von etwa 10 psi bis zu etwa dem Maximaldruck des Zylinders reichen.
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Darüber hinaus sollte der Entwurf einer geeigneten Membran 206 den Typ des zugeführten Gases berücksichtigen. Der Typ des gespeicherten Gases kann die erforderliche Dicke der Membran 206 beeinflussen. Ein auf die Unterseite der Scheibe 231 einwirkender geringer Druck kann den Einsatz einer relativ dünneren Membran 206 erforderlich machen. Gase wie z. B. Arsin sind beispielsweise verflüssigte Gase mit einem Druck, der durch ihren Dampfdruck begrenzt wird. Arsin übt einen Dampfdruck von ungefähr 200 psig bei 70°F aus. Da ein solcher relativ niedriger Zufuhrdruck einen kleinen Druckpegel an der Unterseite 231 der Membran 206 ausübt, kann sich in dem Fall, wenn sogar relativ niedrige Konzentrationen an freigesetztem Arsin an die Atmosphäre als schädlich erachtet werden, eine dünnere und weniger steife Membran 206 bevorzugterweise leichter verbiegen.
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Andere Gase, die weniger gefährlich sein können und bei Drücken von 1250 psig oder höher in Zylinder befüllt werden, können möglicherweise eine dickere und festere Membran 206 erfordern, um ein verfrühtes Biegen der Membran 206 zu verhindern, was zu einer falsch positiven visuellen Anzeige führen würde. In einer anderen Ausführungsform kann in dem Fall, wenn das in einem Zylinder aufzubewahrende Gas Silan ist, die Membran 206 dazu konfiguriert sein, sich in Ansprechen auf einen Aktivierungsdruck innerhalb des Reservoirs 208 zu verbiegen, der einer bestimmten Anzahl von Gramm pro austretendem Silan entspricht, die zur Auslösung eines Silan-Knalleffekts ausreichen. Die Druckanzeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung kann eindeutig gekennzeichnet werden, um ihre korrekte Anbringung und Verwendung mit dem vorgesehenen Zylinder sicherzustellen. Auf diese Weise kann ein versehentliches Anbringen von beispielsweise einer Hochdruck-Anzeigevorrichtung an einen Niederdruckzylinder oder umgekehrt verhindert werden. In einem Beispiel kann die Druckanzeigevorrichtung entsprechend der Farbe des zugehörigen Zylinders, für den sie vorgesehen ist, farbcodiert werden.
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Die Auswahl eines geeigneten Materials für die Membran 206 kann Federstahl, Metalllegierungen und Ähnliches umfassen. Unterschiedliche Materialien benötigen unterschiedliche Dicken, um sich bei einem vorgegebenen Aktivierungsdruck für ein jeweiliges Gas mit einem festgelegten Zylinderdruck zu verbiegen. Dementsprechend werden die Dicke der Scheibe und die Steifigkeit bzw. Stärke der Scheibe vorzugsweise zusammen mit der Materialauswahl ebenfalls berücksichtigt.
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Der Entwurf der Membran 206 kann auch das effektive Nutzvolumen des Reservoirs 208 berücksichtigen, in dem sich das ausströmende Gas vor dem Verbiegen der Membran 206 ansammelt. Weiterhin kann die Größe des Zylinders berücksichtigt werden. Darüber hinaus können weitere Entwurfsfaktoren den erforderlichen Abstand der Scheibe einbeziehen, der für das Verbiegen vor einem Kontakt mit dem Stift 204 notwendig ist (d. h. die in 2a als festgelegte Spalte 235 und 236 angegebene Distanz). Bei einem optimalen Entwurf der Vorrichtung 200 werden die eben angeführten Entwurfsparameter gegeneinander abgeglichen, um zu ermöglichen dass sich die Membran 206 selektiv in Ansprechen auf einen vorgegebenen Aktivierungsdruck biegt. Die obigen Parameter interagieren alle untereinander und bestimmen den abschließenden Entwurf und Aufbau der Membran 206 sowie der gesamten Vorrichtung 200.
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Der Entwurf und Aufbau der Membran 206 für ein selektives Verbiegen innerhalb eines spezifischen Druckbereichs stellt sicher, dass Zylinder von einem Benutzer nur dann außer Betrieb genommen werden, wenn dies erforderlich ist. Ein Druckaufbau auf einen Wert unterhalb des Aktivierungsdrucks kann immer noch ein Entfernen der Vorrichtung 100 von dem Zylinderbenutzeranschluss 108 zulässig machen, wenn bestimmt wurde, dass das von dem Zylinder ausströmende Gas in Pegeln freigesetzt wird, die ungefährlich sind und/oder mit Pegeln entweichen, die auf einen praktisch sicheren Pegel verdünnt werden können. Indem die Vorrichtung 200 an einen spezifischen Aktivierungsdruck für derartige visuelle Anzeigen angepasst werden kann, können somit falsch positive Anzeigen vermieden werden.
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Zum Aufbau der Vorrichtung 100 können zahlreiche Techniken angewendet werden. Ein mögliches Vorgehen für die Konstruktion der Vorrichtung 100 der vorliegenden Erfindung versteht sich besser mit Bezug auf 4, welche die räumliche Anordnung von Komponenten relativ zueinander vor ihrem Zusammenbau darstellt. Der stabilisierende Werkstoff 418, der Stift 404 und die Membran 406 werden so zusammengebaut, dass sie in dem oberen Gehäuse 401 aufgenommen sind. Der Stift 404 wird mit einer zugehörigen Feder 403, die spiralförmig um den Stift 404 gewickelt ist, auf einem Pegel von ein paar psig leicht gespannt. Auf diese Weise verhindert die Feder 403 eine unbeabsichtigte Bewegung des Stifts 404 zu dem oberen Gehäuseabschnitt 401 und dem Werkstoff 413 in dem neutralen oder entspannten Zustand, wodurch eine Falschpositiv-Meldung generiert werden könnte.
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Darüber hinaus kann, obgleich in 4 nicht dargestellt, eine graduelle Verjüngung von jedem der Ränder des stabilisierenden Werkstoffes 418 zu den Seiten des Stifts 404 hin bereitgestellt werden, wie in 2a gezeigt, um die notwendigen Spalte für das Verbiegen der Membran 406 in Ansprechen auf einen Aktivierungsdruck zu erzeugen.
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Optional kann eine Dichtung 405 zwischen der Unterseite des Stifts 404 und der Oberseite 430 der Membran 406 bereitgestellt sein, um einen adäquaten Kontakt zwischen der Membran 406 und dem Stift 404 sicherzustellen. Die Dichtung 405 erzeugt einen Spalt 235, der zur Verhinderung eines elektrischen Kontakts zwischen dem Stift 204 und der Oberseite 230 ausgelegt ist. Auf diese Weise besteht keine elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Stift 204 und dem oberen Gehäuse 201 in dem neutralen Zustand. Umgekehrt liegt in dem aktivierten Zustand eine elektrische Leitfähigkeit zwischen dem Stift 204 und dem oberen Gehäuse 201 vor. Die Dichtung 405 kann optional sein, wenn nur eine kleine Stiftverlagerung aufgetreten ist.
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Entweichendes Gas dehnt sich in einer Aufwärtsrichtung (wie durch den Pfeil in 4 dargestellt), durch einen Gaskanal 417 aus und kommt danach abschließend in einem Reservoir 408 an. Das in den 2a und 2b dargestellte Reservoir 208 wird erzeugt, nachdem die Unterseite 431 der Membran 406 an dem unteren Gehäuseabschnitt 407 abgedichtet worden ist. Im Einzelnen wird das Reservoir 208 durch die Unterseite 431 der Membran 406, die eingebuchtete Oberfläche 408 des unteren Gehäuseabschnitts 407 und durch den Umfang der eingebuchteten Oberfläche 408 festgelegt. Die Ränder der Membran 406 entlang ihrer Oberseite 430 werden mit dem oberen Gehäuseabschnitt 401 verschweißt, und die Ränder der Membran 406 entlang ihrer Oberfläche 431 werden mit dem unteren Gehäuseabschnitt 407 verschweißt, wodurch eine Dichtung entlang des Umfangs der Vorrichtung 400 erzeugt wird. Die Schweißnaht erstreckt sich vorzugsweise vollständig um den Umfang der Oberseite 430 und die Unterseite 431 der Membran 406 herum. Die Schweißwulst hat vorzugsweise eine Dicke, die der Dicke mindestens eines Bereichs der Wandstärke des oberen Gehäuseabschnitts 401 und des unteren Gehäuseabschnitts 407 entspricht. Die Schweißnähte sind ausreichend stark beschaffen, um dem Druck des ausströmenden Gases innerhalb des Reservoirs 408 zu widerstehen. Der Rest der Membran 406 bleibt nicht verschweißt, sodass sie sich in Ansprechen auf einen vorgegebenen Aktivierungsdruck wie in 2b dargestellt verbiegen kann.
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Der obere Gehäuseabschnitt 401 kann entlang seiner obersten Außenseite eine Öffnung aufweisen, damit Werkstoff 413 daran befestigt wird. Der untere Gehäuseabschnitt 407 kann auf bestimmte Abmessungen bearbeitet werden, die den jeweiligen Abmessungen des seitlichen Anschlusses 108 des Ventilkörpers 101 entsprechen (1b). Der abschließende Zusammenbau der Komponenten von 4 erfolgt vorzugsweise mittels Schweißen.
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Die beschriebene Druckanzeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, dass Zylinder auf vorteilhafte Weise ausgebaut werden können, bevor die Vorrichtung entfernt wird und Benutzer möglichen gefährlichen Gaspegeln an dem Benutzeranschluss 108 ausgesetzt werden. Silan-Knalleffekte können vermieden werden, wenn bei der Druckanzeigevorrichtung der vorliegenden Erfindung der Stift ausfährt, den Werkstoff durchsticht und so für eine visuelle Anzeige sorgt. Da die Vorrichtung an dem Ventilkörper des Zylinders befestigt bleibt und der Stift durch den durchstochenen Werkstoff vorsteht, kehrt der Stift nicht in den oberen Gehäuseabschnitt der Vorrichtung zurück. Somit erfolgt die visuelle Anzeige permanent und setzt den Benutzer davon in Kenntnis, den Zylinder von dem Produktionsbereich zu entfernen. Der unsichere Zylinder kann an das Werk zurückgegeben werden, wo das Personal eine Schutzausrüstung tragen kann und Standardsicherheitsverfahren im Umgang mit der Entfernung der Vorrichtung durchführt. Nachdem die Vorrichtung von dem Benutzeranschluss des Zylinders entfernt worden ist, kann sie mit einer Ausschussleitung verkoppelt werden, bei der das Ventil des Zylinders geöffnet wird, um das Gas auf sichere Weise zu einem Gaswascher oder zu einem anderen Zylinder zu übertragen.
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Es können andere Entwurfsalternativen verwendet werden, um ein vorherbestimmtes Verbiegen der Membran zu bewerkstelligen. In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Druckanzeigevorrichtung kein Reservoir, in dem sich das ausströmende Gas ansammelt. Stattdessen erhöht sich, wenn sich die Membran der Vorrichtung nach oben zu biegen beginnt, die Oberfläche der Unterseite der Membran, gegen die das austretende Gas drückt, wodurch ein weiteres Verbiegen ermöglicht wird, bis der vollständig aktivierte Zustand erreicht worden ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit Undichtigkeiten innerhalb von Zylindern beschrieben wurde, sollte sich verstehen, dass die vorliegende Erfindung in jeder geeigneten Hochdruckspeicherungs- und -zufuhrpackung verwendet werden kann. Weiterhin kann die Druckanzeigevorrichtung in Kombination mit anderen Vorrichtungen wie z. B. einem Überdruckventil benützt werden.
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Obgleich die vorliegende Erfindung das Auftreten von Silan-Knalleffekten eliminieren kann, erweist sie sich auch nutzbringend als eine Druckanzeigevorrichtung zur Erfassung gefährlicher Pegel toxischer Gase, die nicht pyrophor sind, die jedoch einem Benutzer visuell anzeigt, dass der Zylinder eine toxische Gasmenge hinter der Vorrichtung enthält, sodass die Vorrichtung nicht entfernt werden sollte, um den Benutzeranschluss zugänglich zu machen.
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Obgleich bestimmte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben wurden, versteht sich, dass auf einfache Weise verschiedene Modifikationen und Veränderungen hinsichtlich der Form oder den Einzelheiten angefertigt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Somit ist beabsichtigt, dass sich diese Erfindung nicht auf die hier dargestellte und beschriebene genaue Form bzw. Einzelheiten begrenzt.
