KR100492943B1 - 안전장치를 구비한 가스정화시스템 및 가스정화방법 - Google Patents

안전장치를 구비한 가스정화시스템 및 가스정화방법 Download PDF

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Abstract

안전장치를 구비한 가스 정화시스템(10)은 가스 정화장치(12) 및 하나 이상의 안전장치(20a, 20b)를 구비한다. 상기 가스 정화장치는 하우징(16)과, 상기 하우징 내부에 존재 가능한 어떤 가스 오염물질에 노출될 때 발열반응을 나타내는 정화물질을 포함한다. 상기 가스 정화장치는 정화되지 않은 가스 유입 파이프라인 (24)에 연결되는 유입구(18), 및 정화된 가스 배출 파이프라인(26)에 연결되는 배출구(20)를 구비한다. 상기 안전장치는 상기 정화되지 않은 가스 유입 파이프라인과 상기 정화된 가스 배출 파이프라인중 하나에 연결되고, 상기 가스 정화 장치내부의 상기 가스 오염물질과 유사한 안전 장치내부의 가스 오염물질의 농도가 시간이 흐르면서 주어진 농도 레벨 이상이 될 때 경보신호(52, 58)를 발생시킨다.

Description

안전장치를 구비한 가스정화시스템 및 가스정화방법{Gas Purification System with Safety Device and Method for Purifying Gases}
본 발명은 가스정화기(gas purifiers)에 관한 것으로, 특히, 가스정화기로 유입되는 가스의 흐름을 차단하고 상기 가스정화기로부터 불순 가스를 제거하기 위한 안전 시스템을 갖춘 가스정화기에 관한 것이다.
불순물 수착(收着:sorption)시 작동하는 가스정화기는 주로 두 가지 종류, 즉 게터형 가스정화기(getter-based gas purifiers) 및 촉매형 가스정화기(cataly st-based gas purifier)로 분류된다. 이들 두 가지 형태의 정화기의 차이점은, 상기 게터형 가스정화기는 화학수착원리(chemisorption principle),즉 비가역 수착 (non-reversible sorption)기술을 사용하여 작동함으로써, 일단 상기 게터형 정화기가 수명을 다하면 교체되어야 하는 반면, 상기 촉매 형 정화기는 물리수착원리 (physisorption principle)를 사용하여 작동함으로써, 상기 정화기가 일단 수명이 다하면 열적 또는 화학적 처리에 의해 재생될 수도 있다. 그러한 재생 특성 때문에 상기 촉매 정화기가 바람직할 수도 있는데, 정화 가능한 가스의 양의 범위는 상기 게터형 정화기의 정화 가능성에 비해 적다. 상기 두 가지 유형의 정화기는 불활성(정화기 화학) 가스로부터 미량의 반응 불순물을 제거하도록 고안된 것이다. 이들 두 유형의 정화기는 또한, 바람직하지 않은 가스 즉, 고농도의 특정 가스가 상기 정화기 내부로 유입되는 경우, 혹은 가스 라인의 고장으로 인해 대기 가스가 상기 정화기의 내부로 유입되는 경우에 파손될 수도 있다.
반도체 공정과 같은 응용분야에 사용하기 위한 상기 게터형 가스정화기는 순수 가스, 예를 들어, 아르곤, 헬륨, 수소, 및 질소를 극도로 많이 발생시킨다.
"게터컬럼(getter columnns)"이라고 칭하기도 하는 상기 게터형 가스정화기는 전형적으로 상기 정화기로부터 불순물을 수착함으로써, 유동하는 가스를 정화하는 게터물질층 (a bed of getter material)을 포함한다.
상기 게터형 가스정화기는 그 속에 포함된 게터물질이 고농도의 어떤 불순물과의 반응 가능성이 높기 때문에 위험성이 잠재한다. 예를 들어, 산소와 같은 고농도의 불순 가스가, 공지된 지르코늄형 게터물질(zirconium-based getter material) 및 발열반응 결과물(exothermic reaction results)을 포함하고 있는 가스정화기속으로 우연히 유입될 수도 있다. 본 명세서에서 언급되는 "고(高)" 농도의 불순물 가스 (또는 "반응가스")란 상기 게터와의 발열반응에 의해 발생된 열이 (전도 또는 유동가스 그 자체에 의해) 분산될 시간을 전혀 갖지 못하고, 급격한 온도 상승과 함께 축적되는 정도의 시간당 가스의 양을 의미한다. 임계 가스량은 가스의 성질에 따라 변함은 물론 (즉, 상기 게터와의 반응열이 높으면 높을수록 상기 임계 가스 량은 낮다), 전반적인 가스 조성시 반응물 농도 및 가스 유동속도에 따라 달라진다. 일반적으로, 1∼2% 이상의 산소농도가 임계치가 될 수도 있는 반면, 5∼6% 이하의 질소농도는 질소의 낮은 반응도로 인해 상기 정화기에 문제를 야기시키는 것으로 관찰되었다.
발열반응으로 인한 급격한 온도 상승은 정화기의 내부 보호벽을 용융시킬수도 있다. 통상 스테인레스 스틸로 형성되는 상기 내부 보호벽은, 상기 보호벽과 접촉하는 게터물질이 상기 보호벽과 반응하여 공정(共晶) 조성물(eutectic compos ition)을 형성하기 때문에 약 1,000℃의 낮은 온도에서 용융될 수도 있다. 만약, 상기 내부 보호벽이 용융되어 그 보호벽 내부에 구멍이 형성되면, 상기 게터물질이 상기 내부 보호벽을 침식함으로써 잠재적으로 심각한 사태를 야기시킬 수 있다.
또한, 상기 촉매형 가스정화기는 고농도의 반응가스로 인해 손상될 수도 있다. 가장 널리 알려져 있고 사용되는 촉매형 정화기는 질소 정화를 위한 제올라이트-지지 니켈(zeolites-supported nickel)(이하, "제올라이트 니켈"이라 칭하기로 함)에 기초한 정화기이다. 대기 가스와 접촉하는 경우, 상기 제올라이트 니켈 층은 약 600∼800℃의 온도로 가열되어 입자들이 소결(燒結)되고 많은 양의 니켈 산화물이 형성됨으로써, 상기 촉매형 가스정화기는 더 이상 재생될 수 없게 된다.
전술한 내용에 비추어볼 때, 고농도의 불순물 가스가 가스정화기 내부로 유입되는 경우, 정화기의 게터물질이 상기 내부 보호벽을 침식하는 것을 방지해주는 가스정화기용 안전장치(safety device)에 대한 필요성이 대두된다. 상기 가스정화기가 상기 게터물질의 정화기 내부 보호벽 침식을 항상 방지하는 것을 보장하기 위해서는, 상기 안전장치는 상당한 정도의 신뢰성을 지니고 있어야 한다. 환언하면, 상기 안전장치는 비용이 많이 들고 기능 장애를 일으키거나 반도체 제조설비에 치명적이면서 비용부담을 많이 주는 잘못된 경보신호음을 발생시킬 수도 있는 복잡한 기계설계를 포함해서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 가스정화기 및 안전시스템을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스정화기 및 안전시스템을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가스정화기 및 안전시스템을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제어장치를 포함하는 도 1의 가스정화기 및 안전시스템을 도시한 블록도이다.
도 5는 도 4의 가스정화기 및 안전시스템에 대한 또 다른 실시예를 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 가스정화기 및 안전시스템을 도시한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안전장치를 도시한 선도이다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안전장치를 도시한 선도이다.
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안전장치를 도시한 선도이다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 안전장치를 도시한 선도이다.
도 11은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 안전장치를 도시한 선도이다.
도 12a 및 12b는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 안전장치를 도시한 선도이다.
따라서, 본 발명의 목적은 고농도의 불순물 가스가 가스정화기 내부로 유입되어 정화기 게터물질이 정화기의 내부 보호벽을 침식하는 것을 방지하기 위한 높은 신뢰도를 갖는 안전장치를 구비한 가스정화기를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 장점 및 특징들은 이하에 상술될 실시예의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이고, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 가스정화기 실시예가 이하에 상세히 설명될 것이다. 또한, 도면에 병기된 동일한 참조부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
안전시스템(Safety System)
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 형성된 가스정화기(12) 및 안전장치(14)를 구비한 가스 정화시스템(10)이 도시되어 있다. 상기 가스정화기(1 2)는 유입구(18) 및 배출구(20)를 갖춘 하우징(16)을 구비한다. 불순물 가스는 소스(22)에서 나와 가스 파이프라인(24)을 거쳐 상기 유입구(18)를 통해 상기 가스정화기(12) 속으로 유입된다. 상기 가스는 정화된 후, 상기 배출구(20)를 통해 방출되어 상기 가스 파이프라인(24)속으로 유입되어 반도체 공정실과 같은 원하는 환경 (28)속으로 들어간다. 상기 가스정화기(12)는 게터형 정화기 또는 촉매형 정화기일 수 있다. 특히, 본 명세서에서는 게터형 물질과 정화기에 중점을 두고 설명되겠지만, 본 발명의 안전시스템의 원리는 가스로부터 산화물을 제거하기 위해 비금속을 사용한 정화기와 같은 기타 다른 정화기에 적용될 수도 있다. 예컨대, 촉매형 정화기의 제올라이트 니켈층은 균등한 결과물을 위한 적절한 가스에 사용하도록 최적화된 안전장치를 구비할 수 있다.
상기 가스정화기(12)에 포함된 것과 같은 게터형 가스정화기의 구현은 당해 기술분야에 숙련된 자들에게 잘 알려져 있다. 상기 가스정화기(12)의 하우징(16)은 예컨대, 금속물질과 같은 충분한 강도와 고온에 대한 내성을 지닌 적절한 물질로 구성될 수 있다. 양호한 실시예에서, 상기 하우징(16)은 스테인레스 스틸로 구성된다. 당해 기술분야에 숙련된 자들에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 상기 가스정화기 (12)의 내부는 보호벽 및 가스 정화를 촉진시키기 위한 게터펌프 또는 게터층(도시생략됨)을 포함한다. 정화될 가스가 상기 게터층을 통해 유동할 때, 상기 게터층을 형성하는 게터물질은 상기 가스로부터 불순물을 수착(收着)한다. 가스 정화에 적절한 상업적으로 입수 가능한 게터물질이면 상기 게터층을 형성하는데 적합하다. 상기 게터층을 형성하는 게터물질은 작은 알갱이(pellets), 알약 형태(pills), 파우더(powder), 과립(granules) 형태 또는 기타 다른 적절한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 아르곤 및 헬륨과 같은 귀(貴) 가스를 정화하기 위한 양호한 게터물질은 St 707TM 및 St 101R이라는 상품명으로 이탈리아 밀라노의 SALES Getters S.p.A에 의해 판매된다. 상기 St 707TM 합금은 70 wt%의 Zr, 24.6 wt%의 V, 및 5.4 wt%의 Fe로 이루어진 조성물을 갖는다. 상기 St 101R 합금은 84 wt%의 Zn과 16 wt%의 Al로 이루어진 조성물을 갖는다. N2를 정화하기 위한 양호한 게터물질은 St 198TM이라는 상품명으로 이탈리아 밀라노의 SALES Getters S.p.A에 의해 판매된다. 상기 St 198TM게터물질은 Zr2Fe 화합물이다.
본 발명의 안전시스템(14)은 상기 게터물질과 반응하여 과격한 반응을 야기시켜 상기 정화기의 파손 및 안전과 환경의 위험요소로 작용할 수 있는 많은 양의 불순물 가스의 우발적인 유입으로부터 상기 가스정화기(12)를 보호하기 위해 설치된다. 본 발명의 상기 안전시스템(14)은 많은 양의 불순한 반응가스의 존재를 감지하기 위한 안전장치(20a, 20b)를 구비하는 것이 바람직하다. 후술되는 바와 같이, 상기 안전장치들은 상기 불순물 가스의 감지에 반응하여 전기적 위험 신호를 발생시키는 것이 바람직하고, 제어장치가 상기 위험신호를 수신하여 밸브를 제어함으로써, 상기 가스정화기를 보호할 수 있다. 본 발명의 제 1 실시예에서, 상기 안전장치(20a)는, 가스 파이프라인(24)을 통해 유동하는 모든 가스가 상기 안전장치 (20a)를 통해 이동할 수 있도록 상기 가스 파이프라인(24) 상에 배치된다.
상부 안전장치(20a)는 상기 가스정화기(12)를 통한 가스 흐름의 상류쪽에 배치되는 것이 바람직하다. 하부 안전장치(20b: 이하에 설명됨)와는 대조적으로 상기 상부 안전장치(20a)는 일반적으로 정상적인 가스 흐름 방향으로 상기 파이프라인 (24)속으로 유동하는 불순물 가스를 검출하고 그 불순물 가스에 반응한다. 따라서, 상기 안전장치(20a)는 시간의 경과하면서 노화에 대한 내성을 지니고 있어야 한다(이하에서 설명됨). 따라서, 상기 상부 안전장치(20a)는 정상 동작시 최소 수명 요건의 필요성과 비상시 신속한 반응도간의 균형에 근거한 반응도 레벨을 가지고 있어야 한다. 예컨대, 전형적인 최소 수명 요건은 약 6 개월이 될 수 있다. 이와는 반대로, 상기 하부 안전장치(20b)는 후술되는 바와 같이, "1 회성(one-shot)" 장치이기 때문에 높은 반응도를 가질 수 있다. 상기 상부 안전장치(20a)의 바람직한 구현은 이하에서 상술된다. 상기 전기적 위험신호 및 제어장치의 동작에 대해 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
상기 하부 안전장치(20b)는 상기 가스정화기(12)를 통해 유동하는 가스 흐름의 하류쪽에 배치된다. 상기 하부 안전장치(20b)는 화살표 방향(21)으로 상기 가스정화기(12) 속으로의 가스의 역류 가능성으로부터 상기 가스정화기(12)를 보호하기 위해 설치된다. 예컨대, 상기 파이프라인(24) 속의 불순물 가스가 상기 가스정화기 (12)의 유입구(18) 속으로 유동하는 동작은 가스 정화시스템의 가동정지, 처리요건, 등으로 인해 중지될 수도 있다. 이러한 경우에, 상기 가스정화기(12)는 하류쪽 가스의 압력보다 낮은 내부 압력을 가짐으로써, 대기 또는 파이프라인으로부터 하류쪽 가스를 역류시킬 수도 있다. 이러한 현상은 "역확산(backdiffusion)"으로 알려져 있다. "역류(backflow)" 현상은 상기 정화기로부터 상류쪽 가스압력이 하류쪽 가스압력보다 낮은 유사 상태에서 발생하는 현상이다. 이들 두 가지 유형의 현상은 본 명세서에서 "역류" 현상으로 지칭된다. 다른 상황에서는, 상기 게터형 가스정화기의 동작시 에러가 발생하여 불순물 가스가 화살표(21) 방향으로 유동할 수도 있다. 상기와 같은 역류현상은 격리된 환경에서만 발생할 수 있기 때문에, 상기 하부 안전장치(20b)는 짧은 시간 내에 많은 양의 불순물 가스를 감지하기 위해 고반응 물질을 포함할 수 있는 1 회성 장치일 수 있다. 상기 하부 안전장치(20b)의 바람직한 구현에 대해서는 이하에서 상세히 설명된다.
주 가스 파이프라인(main gas pipeline)(24)상에 상기 안전장치(20a, 29b)를 배치함에 따른 장점은 가스의 일부를 상기 주 가스 파이프라인으로부터 분리된 상기 안전장치로 경로 지정함으로써 가스 낭비가 없다는 점이다. 그러나, 상기한 구성의 단점은 상기 주 가스 파이프라인의 길이가 줄어들어 특히 고속의 가스 흐름이 요구될 때 문제점을 야기시킬 수 있다는 점이다. 또한, 상기 안전장치(20a, 20b)를 교체하는 경우, 상기 주 가스 파이프라인(24) 및 정화기의 동작이 중단된다는 문제점도 있다.
본 발명의 상기 안전시스템(14) 및/또는 상기 안전장치(20a, 20b)는 다른 안전시스템 또는 안전장치들과 연결된채 사용될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 가스 정화시스템(10')을 도시한 블록도로서, 상기 가스 정화시스템(10')은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 형성된 게터형 가스정화기(12) 및 안전시스템(14)을 구비한다. 상기 게터형 가스정화기(12) 및 주 파이프라인(24)은 도 1을 참조하여 설명된 정화기와 유사하다. 안전장치(20a, 20b) 역시 도 1을 참조하여 전술한 것과 유사하며, 도 7 내지 도 11을 참조하여 상세히 후술될 것이다.
상기 가스 정화시스템(10')은 상기 주 파이프라인(24)로부터 분기된 유도 파이프라인 상에 설치되는 안전장치(20a, 20b)를 구비한다. 예컨대, 상부 안전장치 (20a)는 분기 파이프라인(30)에 의해 상기 주 파이프라인(24)에 연결되는 반면, 하부 안전장치(20b)는 분기 파이프라인(32)에 의해 상기 주 파이프라인(24)에 연결된다. 또한, 상기 안전장치(20a, 20b)는 그 속을 통과하는 가스를 대기속으로 방출시키기 위한 통기구(vent)를 구비하고, 상기 상부 안전장치(20a)는 통기구(34)를 구비하고, 상기 하부 안전장치(20b)는 통기구(26)를 구비한다.
이러한 구성에서는, 상기 주 파이프라인(24)을 통해 유동하는 가스의 일부는 상기 분기 파이프라인 및 안전장치(20a, 20b)를 통해 대기속으로 배출되도록 경로가 지정된다. 따라서, 상기한 구성의 단점은 상기한 가스의 일부가 상기 가스 정화시스템으로부터 배출된다는 점이다. 전형적으로, 상기 가스 정화시스템으로 유입되는 가스의 약 1/100 ∼ 1/1000이 상기한 방식으로 배출된다. 예컨대, 전형적인 가스정화기는 약 85 ∼ 850 ℓ/min, 즉 5 ∼ 50 m3/hr의 공기 유속을 갖는다. 상기한 공기 유속으로, 분당 약 0.8 ∼ 0.9 ℓ의 가스량이 상기 상부 및 하부 안전장치를 통해 통과되고, 상기 통기구를 통해 배출된다. 그러나, 상기 가스 정화시스템의 장점은 상기 가스 파이프라인 상에서의 접합부 및 용접부의 수가 최소화됨으로써, 발생 가능한 오염원의 수가 감소되기 때문에, 보다 용이한 구조를 구비한다는 점이다. 또한, 상기 안전장치(20a, 20b)는 도 1의 제 1 실시예와는 달리 정화공정을 방해하지 않고 교체될 수 있다. 이러한 이유로 인해, 상기 정화시스템(10')은 본 명세서에 개시된 바람직한 실시예이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 가스 정화시스템(10")을 도시한 블록도로서, 상기 가스 정화시스템(10")은 본 발명의 제 3 실시예에 따라 형성된 게터형 가스정화기(12) 및 안전시스템(14)을 구비한다. 상기 게터형 가스정화기(12) 및 주 파이프라인(24)은 도 1을 참조하여 설명된 정화기와 유사하다. 안전장치(20a, 20b) 역시 전술한 것과 유사하며, 도 7 내지 도 11을 참조하여 상세히 후술될 것이다.
상기 가스 정화시스템(10")은 상기 주 파이프라인(24)에 대해 병렬 구성으로 설치되는 안전장치(20a, 20b)를 구비한다. 따라서, 상기 안전장치(20a)는 상기 주 파이프라인으로부터 상기 안전장치의 입력단까지 경로가 지정되는 분기 파이프라인 (40), 및 상기 안전장치의 출력단으로부터 상기 주 파이프라인까지 역으로 경로 지정되는 분기 파이프라인(42)을 구비한다. 따라서, 상기 가스 정화시스템은 가스가 상기 안전장치를 통과한 후 상기 주 파이프라인속으로 다시 유입되기 때문에, 전혀 가스를 소모하거나 방출하지 않는다. 상기 안전장치(20b)는 상기 안전장치(20a)와 마찬가지로 입력 분기 파이프라인(44) 및 출력 분기 파이프라인(46)을 구비한다. 일부 실시예에서는, 유속 제어장치가 상기 안전장치(20a, 20b)의 입력 접합부와 출력 접합부사이의 파이프라인(24) 상에 설치됨으로써, 정확한 가스압력이 제공되어 원하는 양의 가스가 상기 안전장치로 공급될 수 있다.
상기 제 3 실시예의 단점으로는, 복잡한 구성 및 추가 오염의 가능성을 들수 있는데, 그 원인은 상기 분기 파이프라인이 도 2의 실시예에서와 같이 한 지점에 설치되는 대신에 각각의 안전장치에 대해 주 파이프라인의 두 지점에 부착되어야 하기 때문이다. 또한, 상기와 같은 병렬구조는 상기 파이프라인에 바람직하지 않은 압력 강하를 야기시킬 수도 있다.
상기 제 1 내지 제 3 실시예에 따른 구성은 단일 안전시스템(14)으로 함께 혼합될 수 있다는 사실에 유념해야 한다. 따라서, 단일 안전시스템(14)내에서 상기 상부 안전장치(20a)에 대해 도 1의 직렬 구성을 갖추고, 상기 하부 안전장치(20b)에 대해 도 2의 "T"형 구성을 갖추는 것이 가능하다.
도 4는 본 발명의 제어장치를 구비한 도 2의 제 2 실시예에 따른 가스 정화시스템(10')을 도시한 블록도이다. 상기 제어장치는 본 명세서에 개시된 다른 가스 정화시스템에서 사용될 수도 있다.
제어장치(50)는 많은 양의 반응가스가 상기 안전장치(20a) 또는 (20b)에 의해 검출되는 경우, 상기 가스정화기(12)를 보호하기 위한 비상 절차를 제어하기 위해 설치된다. 상기 실시예에서는 고 레벨의 임계 반응가스가 상기 안전장치(20a)에 의해 검출되는 경우, 경보신호가 상기 안전장치(20a)부터 라인(52)을 거쳐 상기 제어장치(50)로 공급된다. 이에 응답하여, 상기 제어장치(50)는 라인(54)을 거쳐 폐쇄 신호를 상기 제어밸브(56)로 출력한다. 상기 제어밸브(56)는 주 파이프라인(24)의 유입구(18) 전방에 배치되고, 상기 제어장치(50)에서 인가된 상기 폐쇄신호에 응답하여 어떠한 가스도 상기 가스정화기(12)로 유입되는 못하도록 해준다. 이와 마찬가지로, 상기 제어장치(50)는 상기 라인(54)을 거쳐 상기 제어밸브(56)에 개방 신호를 공급함으로써, 상기 제어밸브(56)가 개방되어 가스가 상기 가스정화기(12)속으로 유입될 수 있게 된다. 상기 안전장치(20b)는 많은 양의 반응가스가 역류 상황에서 감지될 경우 라인(58)을 거쳐 위험신호를 출력하고, 상기 제어장치는 라인(60)을 거쳐 개방 또는 폐쇄신호를 상기 주 파이프라인(24) 상의 배출구(20) 후방쪽에 배치되는 밸브(62)로 출력한다. 상기 밸브(62)는 상기 제어장치로부터 인가된 신호에 따라 상기 주 파이프라인(24)을 개방 또는 폐쇄한다. 따라서, 반응가스의 비상사태가 발생하는 경우, 상기 제어장치(50)는 비상 구역에 대응하는 상기 밸브(56) 또는 (62)를 폐쇄한다. 바람직한 실시예에서, 상기 제어장치(50)는 특정 비상 구역과 무관하게 비상사태 발생시 상기 밸브(56, 62)를 폐쇄한다. 이렇게 함으로써, 압력차 및 밸브 하나를 폐쇄함에 따른 가스 농도구배에 의해 야기되는 정화기의 비 긴급 구역(non-emergency zone)에서의 오염 가능성을 방지할 수 있다.
상기 제어장치(50)는 여러 가지 방식으로 구현될 수 있다. 예컨대, 이산 논리 소자(discrete logic components), 마이크로프로세서, 및/또는 소프트웨어가 밸브동작 및 신호 I/O를 제어할 수 있고, 또는 소프트웨어와 하드웨어의 혼합체가 제공되어 상기 제어장치의 기능성을 구현할 수 있다. 그러한 신호들을 제어하기 위한 방법 및 장치들은 당해 기술분야에 숙련된 자들에게 잘 알려져 있다.
또한, 도 4는 도 2, 도 4 및/또는 도 5의 안전장치(20a, 20b)의 "T"자형 구성에 선택적으로 사용될 수 있는 다른 구성 요소들을 도시하고 있다. 체크밸브 (41a, 45a)는 상기 안전장치(20a, 20b) 주변에 설치되어 가스가 상기 통기구로부터 상기 파이프라인 속으로 유입되는 것을 방지해 준다. 가스 흐름 제어장치 또는 오리피스(orifice: 43a)는 상기 안전장치(20a)의 전방에 배치되어 상기 안전장치를 통과하는 가스의 유속을 고정시킬 수 있다. 또다른 밸브(47a)는 상기 안전장치에의 접근을 제어하기 위해 설치될 수 있다. 유사 밸브(47b, 41b, 45b) 및 가스 흐름 제어장치(43b)는 상기 안전장치(20b)를 위해 설치될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 가스 정화시스템(10')의 대체 실시예를 도시한 블록도이다. 도 5를 참조하면, 제어장치(50')는 정화기 챔버의 배출동작을 제어함으로써, 상기 정화기(12)를 위한 추가 보호 기능을 제공한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제어장치(50')는 안전장치(20a, 20b)로부터 라인(52, 58)을 거쳐 위험신호들을 각각 수신하고, 라인(54, 60)을 거쳐 개방/폐쇄 신호들을 밸브(56, 62)로 출력한다. 또한, 상기 제어장치(50')는 라인(68)을 통해 개방 또는 폐쇄신호를 유입 통기밸브(66)로 전송하여 상기 밸브(66)를 개방 또는 폐쇄시킬 수 있다. 상기 통기밸브는 개방되면 상기 가스정화기(12) 내부의 가스는 파이프라인(70)을 통해 대기속으로 배출된다. 이와 마찬가지로, 상기 제어장치(50 ')는 라인(74)을 통해 개방 또는 폐쇄신호를 배출 통기밸브(72)로 전송하여 상기 밸브(72)를 개방 또는 폐쇄시킴으로써, 상기 통기밸브(72)가 개방되면 상기 가스정화기(12) 내부의 가스는 파이프라인(76)을 통해 대기속으로 배출된다.
상기 통기밸브(66, 72)는 사고 발생 중에 상기 가스정화기(12)의 본체로부터 반응가스의 대부분을 제거하는데 사용된다. 예컨대, 가스정화기는 통상, 일정한 압력으로 작동한다. 비상사태 발생 중에, 가스정화기는 상기 제어장치(50')에 의해 상기 유입밸브(56) 및 배출밸브(62)를 폐쇄시킴으로써 격리된다. 상기 안전시스템은 작동하여 사고발생 후 최초 몇 초간 상기 가스 정화시스템의 동작을 중지시키기 때문에, 격리된 가스정화기 속의 가스조성물은 대부분 정화기 작동압력에서 정화될 불순물 가스로 구성된다. 사고 유형에 따라, 원치 않는 많은 양의 반응가스가 유입구쪽 또는 배출구쪽으로 유입될 것이다. 따라서, 상기 가스정화기의 임계구역(고온에 도달하는 구역)은 상기 유입구 또는 상기 배출구 근방의 구역이다. 반응가스와 가장 가까운 통기밸브를 개방함으로써, 초 대기압력(superatmospheric pressure )에서의 가스정화기 속에 존재하는 가스는 상기 가스정화기 본체를 빠져나와 상기 반응가스의 상기 임계구역을 세척할 수 있다. 이것은 두 가지 효과를 갖는다. 즉, 상기 임계구역은 가스 흐름에 의해 열이 제거됨으로써, 차가워지고 상기 반응가스는 제거된다.
상기 통기밸브(66, 72)는 소정 크기의 압력으로 강하하도록 조절됨으로써, 상기 정화기 하우징 내부의 압력이 대기압보다 높은 경우 외부로의 가스 흐름 동작이 중지되어 상기 가스정화기 본체에서의 역류현상을 확실하게 피할 수 있다. 물론, 상기 통기밸브의 동작은 정화될 가스가 위험(예컨대, 수소와 같이 고온에서 공기 중에 노출되는 경우 폭발할 수도 있는 경우)하거나, 또는 독성(예를 들어, 할로겐화된 가스, 암모니아 등)이 있는 경우, 상기 통기밸브의 동작을 피할 수 있다. 대체 실시예에서, 상기 통기밸브들은 불필요한 가스 라인에 연결될 수 있고, 그 단부에는 위험한 가스를 감소시키기 위한 스크러버(scrubbers) 또는 다른 시스템이 배치된다. 전술한 시스템 설계 실시예에서, 통기밸브들은 상기 가스정화기(12)의 일단부(유입구 및 배출구) 또는 양단부에 설치될 수도 있다.
또한, 열전쌍(thermocouples)이 상기 유입구(18) 및 배출구(20) 근방의 정화기에 배치되어 임계구역의 온도를 감지할 수 있다. 상기 제어장치(50')는 상기 열전쌍에 연결 가능하고, 어떤 열전쌍이 온도변화를 검출하는지를 감지할 수 있다. 따라서, 두 개의 밸브대신, 해당 임계구역의 통기밸브만이 개방될 필요가 있게 되어(외부쪽으로의 모든 가스 흐름이 상기 임계구역을 통과하기 때문에) 상기 안전 시스템의 효율성이 향상된다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 가스정화기 및 안전시스템을 도시한 블록도로서, 안전장치는 상기 가스정화기(12)의 단부에 배치된다. 예컨대, 안전장치(20a)는 게터 컬럼 정화기(getter column purifier)의 전방 단부에 배치되고, 도 1의 실시예와 마찬가지로, 유입된 가스가 상기 가스정화기(12) 내부의 게터물질에 도달하기 전에 상기 유입가스를 감지한다. 만약, 고농도의 반응가스가 검출되면, 전술한 실시예에서 설명된 바와 같이, 가스 흐름은 정지되거나, 가스 흐름 방향이 전환된다. 이와 마찬가지로, 안전장치(20b)는 상기 가스정화기(12)의 후방 단부에 배치되어 가스의 역류를 검출할 수 있다. 전술한 서로 다른 모든 실시예는 안전한 가스 정화시스템의 서로 다른 구조를 달성하기 위해 여러 가지 방식으로 결합될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따라 다양한 가스 정화시스템이 구현될 수도 있다.
안전장치(Safety Devices)
본 발명의 안전장치(20a, 20b)는 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 일부 가능한 실시예가 이하에서 상세히 설명될 것이다.
게터물질 카트리지(Cartridge of getter material)
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 안전장치(20a, 20b)를 구현하기 위한 카트리지(100)를 도시한 선도이다. 소형 실린더(102)는 유입구(104) 및 배출구(10 6)를 구비하고, 상기 실린더 내부에 위치하는 게터물질(108)의 작동 온도, 예컨대, 약 400℃(안전장치(20a, 20b)의 작동온도는 상기 게터물질의 기하학적 구조 및 상기 안전장치를 통과하는 가스의 유속과 같은 다른 파라미터에 따라 변할 수 있다)에서 견딜수 있는 물질로 이루어진다. 상기 실린더의 구성물질은 상기 작동 온도에서 상기 게터물질에 대해 불활성을 띈다. 상기 안전장치는 상기 가스정화기(12) 내부의 게터물질과 다른 게터물질로 충전될 수도 있지만, 일반적으로 상기 가스정화기 및 안전장치을 위한 동일한 게터물질를 채용하는 것이 더 용이하다. 상기 안전장치는 (상기 가스정화기 내부의 게터물질의 크기보다 작고 상기 정화기내의 게터물질과 동일한 작용을 하는) 상기 게터물질에 도달하는 너무 많은 양의 반응가스에 의해 야기되는 온도 상승을 검출한다. 상기 실린더는 코일 히터(coil heater) 등을 사용하여, 350∼400℃의 작동 온도로 가열되는 것이 바람직하다.
상기 반응가스는 상기 게터물질에 대해 불활성인 가스로부터 제거될 불순물이다. 정상 동작 중에, 상기 게터물질과 접촉하는 단위 시간당 반응 가스의 양은 반응가스와 게터물질간의 반응에 의해 발생된 열이 상기 가스 정화시스템으로부터 제거될 시간을 갖고 있는 지속적인 상황에 도달할 정도로 작다. 이러한 상황에서, 상기 가스 정화시스템의 온도는 근본적으로 (본 명세서에 설명된 다른 실시예들에 적용될 수 있는 게터형 가스정화기에 사용되는 외부 히터와 같은) 외부 히터에 의해 부과되는 온도이다. 비상시, 상황은 역전되고, 단위 시간당 상기 게터물질에 도달한 반응가스의 양은 너무 많기 때문에, 반응열이 확산될 수 없고, 그 결과, 상기 안전장치가 소정의 온도위로 상승하게 된다.
따라서, 정상 동작온도 이상으로 온도가 상승하는 것을 감지하기 위해 열전쌍(110)을 상기 안전장치 내부에 설치할 수 있다. 상기 열전쌍은 상기 게터물질층의 전방 가장자리부(105)에서 간격을 두고 상기 게터물질(108)속에 배치된다. 제어장치(50)는 라인(112)에 의해 상기 열전쌍에 연결되는 것이 바람직하다. 불필요한 가스정화기 동작의 중지를 막기 위해, 온도의 통계적 변동의 가능성을 예측하는 것이 바람직하다. 이러한 목적에 따라 안전장치를 구현하기 위해, 상기 가스 정화시스템이 경보상황을 발생시키는 것을 극복해야 하는 소정 온도 T의 임계값을 한정하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 상기 가스정화기 및 안전장치는 약 350∼600℃에서 작동하는 반면, 상기 가스정화기의 내부벽은 적어도 1000∼1100℃의 온도에 대한 내성을 지닐 수도 있다. 따라서, 소정의 경보온도를 선택할 여지가 있다. 그러나, 이러한 경보 온도는 상기 안전장치의 반응시간이 가능한 한 많이 줄어들어야 하기 때문에, 너무 높은 값에서 선택되어서는 안 된다. 일반적으로, 상기 안전장치에 연결되는 전자장치 또는 제어장치(50)는 상기 안전장치의 열전쌍이 상기 가스정화기의 작동 온도보다 높은 온도 50∼100℃를 감지할 경우, 경보를 발생시키도록 사전 설정될 수도 있다. 이하에 설명될 테스트는 두 가지 경보 온도 50℃ 및 100℃정도에서 수행되었다.
상기 안전장치의 상세한 구조는 예비 연구과정에서 테스트를 거쳤다. 상기 안전장치를 통해 상기 주 파이프라인(24)으로부터 유동하는 너무 많은 양의 가스 흐름의 방향을 전환하지 않기 위해, 상기 안전장치의 유입구는 작게 형성되는 것이 바람직하다. 다양한 직경의 유입구가 사용될 수도 있다. 예컨대, 개구부의 직경은 1 ∼ 3/8인치가 될 수 있다. 수행된 테스트에서, 특히, 212㎛ 이하의 알갱이 크기를 갖는 게터 파우더를 사용할 경우, 1/2 인치의 직경이 바람직한 것으로 판명되었다. 서로 다른 게터 알갱이가 사용되는 경우, 다른 크기의 게터 알갱이가 바람직할 수도 있다. 상기 안전장치(20, 특히, 20a)의 노화는 다른 주요 관심사다. 정상적인 수명하에서, 상기 안전장치는 불순 가스에 노출되고, 상기 유입구에 인접한 게터물질은 불순물은 흡수하고 (거의 그렇게) 소모된다. 이러한 동작이 발생할 때, 불순물은 상기 안전장치 속으로 이동하여 신규 게터물질(fresh getter material)과 반응한다. 상기 안전장치의 유입구(104)에서 배출구(106)를 향해 이동하는 상기 신규 게터물질의 이동 전방부(114)(노화 전방부)가 설정된다. 사고가 발생하는 경우, 과도한 불순물과의 반응은 제 1 신규 게터구역, 즉 상기 이동 노화 전방부에서 발생한다. 상기 열전쌍(110)의 최적 배치는 반응구역에서 이루어지는 반면, 상기 열전쌍은 고정되며 반응 전방부는 상기 이동 노화 전방부와 이동한다. 신규 안전장치로, 상기 열전쌍의 최적 배치는 상기 안전장치의 게터물질층(또는 다른 구조)의 전방부에 가능한 한 근접하게 이루어진다. 예컨대, 상기 열전쌍은 상기 게터물질층 속에 내장되도록 상기 유입구로부터 약 0.2cm 이격된 지점에 배치될 수 있다. 상기 안전장치의 목표 수명은 6개월이다. 표준 동작 조건으로, 6 개월이내에 상기 노화 전방부는 약 0.7cm 정도 상기 게터물질층 속으로 이동하는 것으로 판명되었다. 상기 유입구로부터 0.2cm 지점에 위치한 상기 게터물질층을 6개월(수명 말기)의 노화기간이 경과한 안전장치로 테스트한바, 경보검출시간(alarm detection time)은 신규 안전장치의 경보검출시간의 3배가 더 걸렸다. 그러나, 노화기간중 , 상기 가스정화기는 또한, 부분적으로 소모되었고, 따라서, 상기 가스정화기의 게터물질의 반응도가 감소함으로써 이같은 나중 단계에서 보다 길어진 경보시간으로도 정화기의 내부벽의 침식으로부터의 심각한 사태를 충분히 방지할 수 있다. 그 결과, 상기 안전장치의 유입구로부터 0.2cm되는 고정위치가 상기 안전장치(d=0.2cm)의 전체 수명중에 상기 열전쌍에 적합하다. 열전쌍에 적합한 한 가지 물질은 Ni/NiCr이고, 그러한 열전쌍은 상기 0.2cm 지점에서 접합된 두 개의 나선(bare wires)을 구비한다.
상기 안전장치의 게터물질의 형태와 관련하여 살펴보면, 파우더 형태가 알약형태보다 바람직하다. 파우더 형태의 게터물질은 전형적으로 검출 메카니즘에 포함된 보다 나은 반응의 균일성을 허용해 준다. 또한, 상기 게터물질에 대한 안전장치의 내부벽 재질은 스테인레스 스틸로 구성하는 것이 바람직하다. 유리는 투명하거나 부분적으로 투명한 내부벽을 통해 상기 열전쌍의 적절한 배치를 검사할 수 있다는 점에서 부가된 장점을 지닌다.
불순 가스의 위험 레벨 검출 시점은 안전장치의 구현이 본 발명의 안전시스템에 적당한지의 여부를 결정하는데 있어 매우 중요하다. 불순 가스인 산소에 대한 테스트가 수행되었다. 가스의 특정 농도가 (이하에 설명되는 전체 테스트에 대해) 최소 3 가지 방법으로 테스트되었다. 상기 안전장치는 212㎛ 이하의 입자 크기를 갖는 St 707TM과 같은 미세한 파우더 형태의 게터물질로 충전되었다. 상기 안전장치는 다양한 비율로 산소를 포함한 아르곤(Ar) 유동층과 접촉되었다. 상기 테스트 결과치가 이하의 표 1에 나타나 있다. 하기 표 1의 두 번째 컬럼에는 상기 안전장치가 작동 온도위로 50℃의 온도 상승을 감지하는데 소요되는 시간이 열거되어 있고, 세 번째 컬럼에는 100℃의 온도 상승을 감지하는데 소요되는 시간이 열거되어 있다.
아르곤속의 산소% 반응시간, + 50℃ (초) 반응시간, + 100℃ (초)
1.00 40 미도달
1.00 53 미도달
2.00 29 65
2.00 12.5 21.5
2.00 15 30
3.00 8 10.5
3.00 10.5 17.5
3.00 14 17.5
10.00 7.5 9
10.00 8.5 11
10.00 7 10.5
20.00 5.5 7.5
20.00 3.5 4
20.00 3.5 4
공기 2.5 3.5
공기 2.5 3.5
공기 2.5 3.5
상기 테스트 결과치에서 일정한 산소 비율의 분포는 열전쌍의 배치에 있어서 약간의 차이에 기인할 수도 있다. 상기 가스 정화기가 손상되기 전에 안전 장치가 작동해야 하는 임계 시간을 결정하기 위해, 일부 임계 시간동안 정화기에 대해 두 가지 실질적인 테스트가 이루어졌고, 테스트 결과를 조절함으로써 최적화된 모델에 기초한 다른 임계 시간동안에 이론적인 데이터를 얻었다. 아르곤속에 1% 산소가 함유되어 있는 경우, 46.5초 동안의 가스 유동이후, 상기 가스 정화기는 약 480℃의 온도에 도달할 것으로 판단되었다. 따라서, 상기 안전장치가 반응할 40초 동안의 반응시간으로도 임계온도에 도달되기 전에 상기 정화시스템이 충분히 가동 중지될 수 있다. 상기 반응시간 역시, 아르곤속의 1.5% 산소에 대해 충분한 시간이다. 아르곤속에 2∼3% 산소가 함유되어 있는 경우, 가스정화기가 임계온도(약 1000℃)에 도달하는데 소요되는 시간은 약 25초가 걸린다. 상기 안전장치는 15초 내에 +50℃를 검출함으로써 가스 정화기가 안전하게 동작할 수 있다.
아르곤속에 10% 산소가 함유되어 있는 경우, 상기 정화기의 게터물질 상에서 유동하는 임계시간은 약 8초이다. 상기 안전장치는 만약 상기 제어장치가 상기 정화기의 통기밸브는 물론 유입밸브와 배출밸브의 차단을 명령하는 경우, 상기 가스 정화기의 파손을 방지할 수 있다(도 5참조).
아르곤속에 20% 산소가 함유되어 있는 경우, 표준 게터 컬럼의 실험결과는 상기 안전장치가 반응하는데 소요되는 3∼5초로도 만약 상기 제어장치가 상기 정화기의 통기밸브는 물론 유입밸브와 배출밸브의 차단을 명령하는 경우, 상기 정화기를 충분히 보호할 수 있다는 사실을 보여준다.
공기는 산소와 질소의 혼합물이 제공된다는 점에서 이전의 불순 가스와는 다르고, 아르곤과 달리 질소는 St 707과 같은 어떤 게터물질에 대해 반응할 수 있다. 이러한 별도의 반응도는 표 1에 도시된 느린 반응시간을 설명해 준다. 그러나, 테스트 결과에 의하면, 만약 상기 제어장치가 상기 유입-배출밸브 및 통기밸브에 명령을 내리는 경우, 상기 가스정화기를 보호할 수 있다는 사실을 알 수 있다.
또 다른 일련의 테스트가 St 707대신 St 198과 같은 상이한 게터물질을 사용하여 수행되었다. 상기 게터물질 St 198은 350℃의 작동온도에서 질소 정화를 위해 사용된다. 따라서, 사용된 불순 가스는 질소내의 산소였다. 그테스트 결과가 하기 표 2에 열거된다.
질소속의 산소% 반응시간, +50℃ (초)
3 18.5
10 6
20 5.4
공기 /
통계 변동과는 별도로 상기 St 707 및 St 198의 반응시간은 유사하다. 상기 St 198은 상기 St 707에 비해 산소와 발열반응이 덜 이루어지지만, 온도가 (산소와의 반응으로 인해) 400℃이상으로 상승하면, 상기 St 198은 또한 질소를 수착하기 시작하여 반응열의 발생원인이 되고 더딘 검출시간의 원인이 된다.
희가스에 함유되어 있는 질소는 상기 St 707 게터물질을 채용한 가스정화기를 파손할 수도 있다. 또한, 400℃에서 유지되는 가스정화기로 아르곤속에 있는 상이한 양의 N2의 흡입으로부터 가스정화기를 보호할 수 있는 가능성을 평가하기 위한 테스트가 수행되었다. 하기 표 3은 이들 테스트의 평균 결과치를 열거한 것이다.
아르곤속의 질소 % 반응시간, +50℃ (초)
6 미도달
10 14
14 15
20 10.1
100(순수 N2) 4.9
6%의 질소 농도는 450℃에 도달하지 않았기 때문에 전혀 중요하지 않다. 표준 게터컬럼을 사용하여 수행된 테스트 결과, 순수 질소가 유동하는 정화기는 6.5초 동안의 유동이후에 650℃에 도달한다는 사실을 알 수 있다. 상기 안전장치는 순수 질소속에서 4.9초 기간내에 반응하기 때문에, 상기 가스정화기를 효과적으로 보호할 수 있다. 6%의 질소농도는 위험하지 않고, 상기 안전장치가 가장 위험한 상황으로부터 상기 가스정화기를 보호할 수도 있기 때문에, 표 3에 언급된 반응시간은 거의 모든 경우에 상기 안전장치가 상기 가스정화기를 보호할 수 있을 정도로 충분히 작다.
게터 코팅 스트림(Getter Coated Strip)
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 안전장치(20a, 20b)의 카트리지(130)를 도시한 선도로서, 상기 카트리지(130)는 게터 파우더 물질로 퇴적되는 금속 지지 스트립(support strip of metal) 또는 기판(substrate)을 구비한다. 금속 스트립(132)은 예컨대, 스테인레스 스틸로 제조된 실린더(134)속에 배치된다. 게터물질 (136)은 상기 금속 스트립(132) 상에 인쇄된 스크린일 수 있다. 스크린 인쇄기술은 공동 계류중인 미국특허출원 제08/855,080호에 설명되어 있으며, 본 명세서에도 참고로 언급되어 있다. 예컨대, 두께 20㎛, 폭 1cm, 길이 10cm인 니크롬 호일(Nich rome foil)은 St122 게터 파우더 물질로 코팅된 스크린 인쇄지일 수 있다. 상기 St122는 티타늄 파우더와 St707 합금 파우더의 혼합물이다. 게터 파우더 퇴적물의 두께는 70∼200㎛이다(따라서, 도 8의 치수는 과장된 것이다.). 대체 실시예에서, 다른 치수 및 게터물질이 사용될 수 있다. 예컨대, St707과 지르코늄 파우더의 기계적 혼합물인 St172가 사용될 수도 있다.
이와는 달리, 상기 금속 스트립상에 게터물질을 퇴적시키기 위해 다른 방법들이 사용될 수 있다. 예컨대, 분말 야금분야에 숙련된 자들에게 잘 알려진 냉간 압연(cold rolling) 기술이 사용되거나, 본 출원건의 양수인에게 양도된 특허출원 공개 제WO95/23425호에 개시된 분무(spraying) 기술이 사용될 수 있다. 열전쌍(138)은 상기 금속 스트립(132)에 연결되고 와이어(140)에 의해 제어 장치 (50)에 연결된다. 상기 실린더는 예컨대, 코일 히터등을 사용하여 500℃의 작동 온도로 가열되는 것이 바람직하다.
상기 안전장치의 지속적인 작동온도 이상에서 50℃ 또는 100℃의 온도가 상승하는 열전쌍으로 검출한다는, 상기 안전장치를 위한 작동원리는 전술한 게터 카트리지 실시예의 경우와 동일하다. 상기 열전쌍(138)은 하나의 Ni 와이어(140) 및 하나의 NiCr 와이어(140)를 상기 금속지지 스트립에 용접함으로써 얻어질 수 있다.
본 명세서에 설명되는 바와 같이, 산소 검출만이 도시되지만, 산소 테스트에 기초한 결론은, 전술한 게터카트리지 실시예에서 설명된 바와 같은 질소 및 다른 가스로 용이하게 확장될 수 있다.
이하에 설명된 파라미터들은 산소농도, 상기 안전장치의 노화, 상기 안전장치의 형태(플랫형 또는 만곡형), 작동온도, 및 상기 금속 지지 스트립상의 게터 파우더 퇴적층의 두께를 포함한다.
일실시예에서, 상기 코팅된 금속지지 스트립은 직경 1인치, 길이 5인치인 스테인레스 스틸 실린더내에 위치한다. 상기 실시예에서, 상기 금속지지 스트립은 플랫형(만곡형이 아님)이고, 가스 흐름의 방향에 대해 평행하게 배치된다. 상기 안전장치는 약 30분 동안 순수 아르곤의 300cc/min 조건하에서 약 400∼500℃에서 상기 게터물질을 활성화함으로써 초기에 조절된다.
상기 안전장치의 반응시간에 미치는 산소농도의 효과는 수행된 테스트의 결과로서 표 4에 요약되어 있다. 상기 안전장치는 400∼500℃에서 유지되었고, 아르곤(1000cc/min의 일정한 유속)속의 여러 가지 산소농도에 노출되었다. 오염되지 않은 신규 안전장치가 각 테스트에 사용되었다. 상기 금속지지 스트립상에 상기 게터물질을 퇴적하기 위해 스크린 인쇄기술이 사용되었다.
작동g T(℃) 산소 % 반응시간, +50℃ 반응시간, +100℃ 최대 T(℃)
400 1 / / 422
500 1 1〈 t 〈 2 1〈 t 〈 2 703
500 10 1〈 t 〈 2 1〈 t 〈 2 784
500 50 1〈 t 〈 2 1〈 t 〈 2 1154
400℃에서 상기 안전장치가 적절하게 작동하지 않는 반면, 500℃에서는 반응 시간이 모든 산소농도에서 매우 신속해짐으로써, 상기 안전장치는 상기 가스정화기의 손상을 효과적으로 방지할 수 있다는 사실에 유념해야 한다.
상기 안전장치에 미치는 노화의 영향은, 노화가 가속화된 후 테스트 장치에 의해 결정되었다. 한 가지 결과로서, 50%의 산소농도로는 거의 노화의 영향이 없었고, +100℃에서의 반응시간은 신규 안전장치인 경우의 1∼2초와 비교하면 3∼4초가 걸린다. 그 차이점은 희석된 불순물(1%)이 검출될 경우에 보다 명백히 드러난다. 한 가지 테스트에서, 22℃의 최대 온도 상승이 발생한 상태에서 +50℃의 상황에는 도달하지 않았다.
상기 금속지지 스트립의 기하학적 구조 역시, 상기 실시예에서 전반적인 온도에 영향을 미친다. 만곡형 금속스트립은 통상적으로, 직선형 금속스트립에 비해 더 높은 전반적인 온도 상승을 갖게 되는데, 그 이유는 열제거로 인해 상기 만곡형 금속스트립이 영향을 덜 받기 때문이다. 그러나, 상기 만곡형 금속스트립의 서로다른 부분이 상기 스트립의 다른 부분상에서의 가스 전도를 방해하는 경우에 "그림자 (shadow)" 효과가 발생한다. 이들 반대효과의 균형은 50%의 산소로, 만곡형 스트립이 직선형 스트립보다 상당히 신속하게 반응할 때 이루어지고, 상기 스트립이 용융되는 지점에 도달할 수도 있다. 그러나, 10% 또는 그보다 낮은 농도의 산소에서는 검출시간이 1∼2초에서 4∼7초로 증가할 수 있다.
온도가 상기 안전장치의 반응시간에 미치는 영향은 산소농도의 효과와 관련하여 설명되었다. 낮은 산소농도 검출시, 노화현상이 온도 파라미터에 작용함으로써, 400∼500℃에서 반응차를 숨길 수 있다는 사실에 유념해야 한다.
상기 금속 지지스트립의 게터 퇴적물질(136)의 두께 역시, 상기 안전장치의 동작에 영향을 미칠 수 있다. 상기 게터 퇴적물질의 두께의 영향을 평가하기 위해 50℃에서 전체 유속 1000cc/min, 아르곤속의 산소 10%의 조건으로한 비교 테스트를 수행하였다. 그 결과, 70㎛이 퇴적된 안전장치가 200㎛이 퇴적된 안전장치(2∼4초)보다 더 신속한(1∼2초) +50℃의 온도 상승을 검출한 것으로 나타났다.
상기 테스트의 결과, 상기 안전장치에 대한 최적의 작동조건은 게터 퇴적물의 두께가 70㎛인 상태로 약 500℃에서 이루어지는 것으로 설명될 수 있다. 직선형 스트립이 낮은 불순물 농도에서 더 신속한 검출시간을 허용하고, 이것이 안전장치 작동에 가장 중요한 조건이 되기 때문에, 만곡형 스트립보다 직선형 금속지지 스트립을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 전술한 테스트 조건이 작동 안전장치를 제공한다는 사실에 유념해야 한다. 그러나, 이들 파라미터의 여러 가지 최적의 조합이 시스템 테스트를 통해 발견될 수도 있다. 이들 조건의 "최상의 결과" 중 하나만이 본 명세서에서 설명된다.
금속 핫 필라멘트(Metallic Hot Filament)
도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 안전장치(20a, 20b)의 카트리지(150)를 도시한 선도로서, 카트리지는 전류용 피드스루(feedthrough)를 구비한 실린더내에 설치된 금속 필라멘트를 구비한다. 상기 실린더(152)는 전류 소스(156)에 연결된 금속 필라멘트(154)를 보유한다. 예컨대, 상기 회로에는 제어장치(50, 50')가 포함된다. 예컨대, 내경 30mm, 길이 230mm인 유리 실린더가 사용될 수 있다. 그러나, 그러한 치수는 다른 실시예에서 변경될 수 있다. 작동원리는 다음과 같다. 백열 전구에서 발생하는 것과 아주 유사하게 반응가스가 존재할 때에는 핫 필라멘트가 파손됨으로써 전기회로가 차단된다. 상기 회로의 파손은 상기 제어장치(50) 또는 (50')에 의해 경보신호로서 판독된다.
한 가지 테스트에서, 금속 텅스텐(W)을 시험하였다. 텅스텐은 산소와 (이 경우 단순히 산소 저장실 역할을 하는)물에 대해 반응할 수 있는 한편, 단지 이들 가스는 질소와 수소와 함께 존재하지 않는다. 따라서, 텅스텐은 희가스의 정화시 산소 또는 물은 물론, 질소 및 수소의 존재를 검출하는데 사용될 수 있다.
상기 안전장치는 오염 가능한 물질을 제거하기 위해 최소 5분 동안 실온에서 순수 아르곤을 유동시킴으로써 조절될 수 있다. 이때, 상기 필라멘트는 전기를 그속에 통과시킴으로써 가열된다. 서로 다른 산소농도를 포함하는 안전장치속에 아르곤을 유동시키고 상기 필라멘트를 파손하고 경보신호를 공급하는데 필요한 시간을 평가함으로써 테스트가 수행되었다. 상기 안전장치는 아르곤속에 함유된 1%의 산소와 10%의 산소로 테스트되었다. 상기 테스트 결과는 필라멘트 직경, 인가 전압, 및 전반적인 가스 흐름에 따라 변한다. 특히, 주어진 불순물 농도의 경우, 상기 필라멘트가 파손되는데 걸리는 시간(상기 안전장치의 검출시간)은 상기 필라멘트 직경이 증가하고 상기 인가전압(및 그에 따른 필라멘트 온도가)이 감소하고, 전반적인 가스 흐름이 감소함에 따라 길어진다.
아르곤속의 산소 불순물을 시험가스로 하여 일련의 테스트가 수행되었다. 상기 테스트는 매트릭스 계획에 따라 수행되었는데, 이 테스트에서 평가중인 파라미터는 변경된 반면, 다른 파라미터는 일정하게 유지되었다. 특히, 전체 가스 흐름은 200∼1000cc/min의 범위내에서 변경되었고, 산소농도는 1∼10%의 범위내에서 변경되었으며, 필라멘트 직경은 0.05∼0.2mm의 범위내에서 변경되었다. 필라멘트 파손에 걸린 가장 신속한 시간인 약 2초는, 900cc/min, 10%의 산소농도, 24V 및 0.05mm의 필라멘트 직경인 조건하에서 얻어진 반면, 필라멘트 파손에 걸린 가장 긴 시간인 약 80초는, 1000cc/min, 1%의 산소농도, 8V 및 0.2mm의 필라멘트 직경인 조건하에서 얻어졌다. 이들 결과는 신속하고 반응도가 높은 안전장치임을 나타낸다. 그러나, 보다 긴 반응도, 예컨대, 보다 긴 수명을 지닌 안전장치를 얻기 위해서는 상기 반응시간이 변조될 수도 있다.
따라서, 본 발명의 금속 필라멘트는 본 발명의 안전시스템을 위한 신속한 반응도를 갖는 안전장치로서의 기능을 잘 수행한다. 그러나, 상기 금속 필라멘트 장치는 불순 가스에 노출되는 경우 안전장치의 다른 실시예와 비교해 볼 때 상대적으로 수명이 짧다는 단점이 있다. 따라서, 상기 금속 필라멘트 장치는 하부 안전장치 (20b)로 사용하기에 가장 적합한데, 그 이유는 가스 흐름의 하류 지점에서 상기 금속 필라멘트 장치는, 불순 가스가 상기 가스 화기(12)에서 배출된 후, 고농도의 순수 가스만을 수용함에 따라 적절한 수명을 갖게 될뿐만 아니라, 상기 가스정화기 속에서 역류현상이 일어나는 경우 신속한 반응도를 지니기 때문이다.
게터 퓨즈(Getter Fuse)
본 발명의 실시예에 따른 게터 "퓨즈" 안전장치는 전술한 금속 필라멘트 실시예와 유사하다. 금속기판 또는 스트립은 게터물질로 퇴적되어 게터 "퓨즈" 생성한다. 예컨대, 스테인레스 스틸 리본은 게터물질로 코팅될 수 있다. 예컨대, 상기 게터물질은 전술한 바와 같이, 게터 코팅스트립 실시예에서 사용된 기술과 유사하게 스테인레스 스틸 위에서 스크린인쇄, 냉간압연, 분부, 기타 다른 방식으로 처리될 수 있다. 상기 게터 코팅 금속스트립이 도 9의 전기회로 및 실린더 내의 필라멘트(154)를 대신하여 설치될 수 있다. 상기 실린더는 히터에 의해 500∼600℃의 작동온도까지 가열되는 것이 바람직하다. 고농도의 불순 가스가 상기 실린더에 유입되면, 반응가스와 상기 게터물질 간에는 반응이 일어나고, 금속 리본이 용융됨으로써 상기 전기회로가 파손되고 전술한 금속 필라멘트와 유사한 경보 상황을 나타낸다. 상기 실시예는 경보온도를 검출하기 위해 열전쌍을 사용한 반면, 본 실시예에서는 경보 상황을 나타내기 위해 단순히 회로를 파손한다는 점에서 전술한 게터 코팅스트립과는 다르다.
도 10은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 안전장치(20a, 20b)에 사용될 수 있는 게터퓨즈(160)를 도시한 선도이다. 플랫형 또는 약간 만곡된 형태의 게터 코팅 스트립(getter-coated strip)을 게터퓨즈로 사용함에 따른 한 가지 문제점은 상당한 양의 열이 상기 게터 코팅스트립으로부터 빠져 나옴으로써 상기 불순 가스와 상기 게터물질 간의 반응이 일어나기 위해 실린더내부에 많은 양의 열이 요구된다는 점이다. 도 10에는 주름상자 모양의 금속스트립(162)이 전술한 실시예와 유사하게 게터물질(164)로 스크린인쇄 처리된다. 예컨대, 직선 형태의 스트립이 상기 게터물질로 코팅된 다음, 도시된 형태로 만곡 처리된다. 상기 게터 코팅스트립(162)은 실린더와 같은 챔버속에 배치된다. 상기 직선형태의 게터퓨즈와 관련하여, 상기 게터물질(164)이 고농도의 불순 가스와 반응하면, 상기 게터 코팅스트립(162)은 전소되고, 전기적 연결부가 단선된다. 이러한 연결부 단선은 상기 고농도의 불순 가스의 존재를 알리기 위한 경보 신호로서 검출된다.
상기 게터 코팅스트립으로 인해 열이 낭비되지 않기 때문에, 불순 가스와 게터물질 간의 반응속도가 더욱 신속해진다. 예컨대, 화살표(168)로 도시된 바와 같이, 상기 게터 코팅스트립(162)의 일부로부터 빠져 나오는 열은 상기 스트립의 다른 부위 위로 방사됨으로써, 이러한 방사열은 증폭되어 상기 스트립의 인접 부위상에서 보다 신속한 반응을 야기시킨다. 이렇게됨으로써, 상기 금속스트립(162)은 직선 형태의 금속 스트립보다 더 신속하게 용융되어, 상기 안전장치의 반응시간이 줄어든다. 다른 실시예에서 다른 유형의 모양이 구현될 수 있다. 예컨대, 정방형 또는 원형의 스트립 형태가 제공될 수 있다.
또한, 상기 게터 코팅스트립을 떠나 상기 스트립을 향해 다시 이동하는 열을 반사시키기 위해 상기 게터 코팅스트립(162) 주위에 방사 차폐부가 설치되는 것이 바람직하다. 예컨대, 관형 방사차폐부(169)가 도 10에 도시되고, 상기 관형 방사차폐부(169)는 상기 실린더 또는 챔버의 벽에 맞대어 형성된 다수의 튜브 세트를 구비한다(상기 챔버를 작동온도까지 가열하기 위해 상기 챔버내에 포함된 외부 히터도 바람직하다). 플랫형 또는 만곡형 스트립과 같이, 본 명세서에 설명된 안전장치의 다른 실시예 역시, 관형 방사차폐부(169)와 같은 방사차폐부를 구비할 수 있다. 이와는 달리, 상기 챔버 또는 실린더의 벽은 효율적으로 열을 반사할 수 있는 물질로 구성되거나 코팅될 수 있다.
장력상태하의 와이어(Wire Under Tension)
도 11은 본 발명에 따른 안전장치(20a, 20b)의 제 5 실시예(170)를 도시한 선도로서, 게터물질속의 스프링 장력 와이어는 경보상태를 나타낸다. 게터물질층 (172)은 가스가 유동하는 컨테이너(174) 내부에 배치된다. 400∼500℃정도의 작동온도가 상기 컨테이너속에 제공될 수 있다. 필라멘트 또는 와이어(176)는 상기 게터물질층(172)을 통해 제공되고, 스프링(178)에 연결되며, 상기 스프링은 상기 컨테이너의 타단부에 연결된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 와이어를 통해 전류를 흐르게 하기 위해 전류 소스(180)가 설치된다. 예컨대, 상기 와이어는 스테인레스 스틸 또는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 상기 게터물질이 고농도의 불순 가스와 반응하면 상기 스프링(178)은 어떤 공지된 온도에서 용융되거나 단선되고, 상기 스프링(178)의 장력으로 인해 상기 와이어가 단선되어 더 이상 전류가 흐르지 않게 될 것이다. 전류 흐름의 단절은 상기 제어장치에 의해 경보 상황으로서 검출된다. 예컨대, 만약 상기 와이어(176)가 알루미늄으로 구성된다면 상기 게터물질층의 온도는 와이어의 단선 이전에 600℃에 도달될 수 있다.
차등 센서(Differential Sensor)
도 12a 및 12b는 본 발명에 따른 안전장치(20a, 20b)의 제 6 실시예(200)를 도시한 선도로서, 경보 상황을 판단하기 위해 차동 열전도센서(differential ther mal conductivity sensor)가 사용된다. 도 12a를 참조하면, 챔버(202)는 상기 챔버 (202)를 통해 유동하는 가스속의 불순 가스의 농도에 따라 전도도가 변하는 측정 열전도필라멘트(measurement thermal conductivity filament)(206)를 구비한다. 상기 정화기(12)의 유입구속으로 유입되는 가스는 상기 챔버(202)를 통해 유동한다. 전류 im이 상기 필라멘트(206)를 통해 흐른다. 제 2 챔버(204)는 상기 전류 im이 흐르는 유사 기준 열전도필라멘트(similar reference thermal conductivityfi lament)(208)를 구비한다. 상기 정화기(12)에서 방출된 배출가스는 상기 제 2 챔버 (204)를 통해 흐른다.
도 12b를 참조하면, 유동 가스속의 불순 가스농도를 감지하기 위한 회로가 도시된다. 전류 소스(212)에서 나온 전류 im은 각 필라멘트(206, 208)를 통해 흐르도록 분기된다. 저항기(214, 216)은 상기 각 필라멘트(206, 208)와 접지부(220) 사이에 설치된다. 기준 전압 VREF는 노드(222)와 접지부 사이에서 측정되고, 전압 VIN은 노드(224)와 접지부 사이에서 측정된다. 만약, 저농도의 불순 가스가 상기 챔버(202)를 통해 흐르는 경우에는 상기 필라멘트(206, 208)의 열전도도가 상이하지 않게 되고 그에 따라 전류 im 및 전압이 상이하지 않게 되기 때문에, 이들 전압간의 차는 작아야 한다. 그러나, 고농도의 불순 가스가 상기 챔버(202)를 통해 흐르는 경우에는 상기 고농도의 불순 가스는 상기 제 2 챔버(204)를 통해 정화된 가스속의 불순 가스농도와 큰 차이만큼 차이가 나게 됨으로써 측정된 전압 VREF 및 VIN에 큰 차이가 발생한다. 따라서, 상기 측정된 전압간에 소정 임계치 이상의 차가 존재하고 그러한 전압차가 상기 제어장치에 의해 검출되면 경보 상황이 발생한다. 본 실시예에 따른 한 가지 문제점은 상기 안전장치가 전술한 실시예보다 구성이 더 복잡함으로써 신뢰도에 문제가 야기되고 비용이 상승한다는 점이다.
지금까지, 본 발명은 여러 양호한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 상기 본 발명의 실시예에 대한 개시는 단지 본 발명의 적용예에 불과한 것이고, 본 발명을 수행하기 위한 최상 모드로서 본 명세서에 개시된 특정 실시예에 국한되는 것은 아니다.
또한, 하기 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 일탈하지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변경될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 안전장치를 구비한 가스 정화시스템에 있어서,
    하우징, 및 상기 하우징의 내부에 배치되고 상기 하우징 내부에 존재 가능한 가스 오염물질에 노출되는 경우 발열반응을 나타내는 정화물질을 포함하며, 정화되지 않은 가스 유입 파이프라인에 연결되는 유입구와 정화된 가스 배출 파이프라인에 연결되는 배출구를 구비한 가스 정화장치; 및
    상기 정화되지 않은 가스 유입 파이프라인과 상기 정화된 가스 배출 파이프라인중 하나에 연결되며, 상기 가스 정화장치 내부의 상기 가스 오염물질과 유사한 안전장치 내부의 가스 오염물질의 농도가 시간이 흐르면서 주어진 농도 레벨 이상이 될 때 경보신호를 발생시키는 안전장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 안전 장치는 제 1 안전장치이고, 제 2 안전장치를 또한 포함하며, 상기 제 1 안전장치는 상기 정화되지 않은 가스 유입 파이프라인에 연결되고, 상기 제 2 안전장치는 상기 정화된 가스 배출 파이프라인에 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 안전장치는 상기 가스 오염물질과 검출 물질간의 발열반응을 통해 상기 가스 오염물질의 농도가 소정의 농도 레벨 이상인가를 검출하는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 검출물질은 정화물질과 동일한 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 안전장치는 상기 정화되지 않은 가스 유입 파이프라인과 상기 정화된 가스 배출 파이프라인중 하나와 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 안전장치는 상기 정화되지 않은 가스 유입 파이프라인과 상기 정화된 가스 배출 파이프라인중 하나와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 안전장치는 상기 정화되지 않은 가스 유입 파이프라인과 상기 정화된 가스 배출 파이프라인중 하나에 태핑되는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 가스 정화장치속으로 가스가 유입되는 것을 방지하기 위해 상기 경보신호에 응답하여 폐쇄되는 자동밸브를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 안전장치는 검출 물질인 게터물질 및 상기 게터물질의 온도를 검출하기 위한 온도 감지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 게터물질은 파우더 형태의 게터물질인 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 게터물질은 기판에 적용되는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 안전장치는 상기 가스 오염물질의 농도가 상기 주어진 농도 레벨 이상일 경우에 용융될 수 있는 필라멘트를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 필라멘트는 장력하에 있는 것을 특징으로 하는 가스 정화시스템.
  14. 가스를 안전하게 정화하는 방법에 있어서,
    정화되지 않은 가스의 소스를 제공하는 단계;
    정화된 가스를 제공하기 위해 어떤 가스 오염물질에 노출될 때 발열반응을 나타내는 정화물질을 구비하는 가스 정화 장치를 통해 상기 정화되지 않은 가스를 통과시키는 단계;
    상기 가스 오염물질이 상기 가스 정화장치 내의 상기 어떤 가스 오염물질과 유사한 경우, 상기 정화되지 않은 가스와 상기 정화된 가스 중 어느 하나 또는 상기 정화되지 않은 가스와 상기 정화된 가스 내에서 소정 시간동안 주어진 농도 이상인 초과 레벨의 가스 오염물질의 존재를 검출하는 단계; 및
    상기 초과 레벨의 가스 오염물질의 존재에 대한 검출시 경보신호를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 정화방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 경보신호 발생시 상기 정화되지 않은 가스와 상기 정화된 가스 중 하나 이상의 가스의 유동을 차단하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 정화방법.
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