KR100697160B1 - 압축 탱크의 가압 유체 이송용 안전 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가압 실린더 혹은 탱크로부터 유해한 유체의 방출을 방지하기 위한 안전 장치를 제공하는 압력 반응성 밸브 부재의 사용에 관한 것이다. 다이어프램은, 역지 밸브 하류의 압력이 예정된 압력 조건을 만족하지 못할 경우 발생하는, 탱크로부터의 가스 방출을 방지하기 위해 밸브 부재의 운동을 제어한다. 상기 안전 장치는 아르신 가스의 운반에 특히 유용하며, 부주의한 가스 방출에 대한 이중적인 안전 장치를 제공하게 된다.

Description

압축 탱크의 가압 유체 이송용 안전 밸브{FAIL-SAFE DELIVERY VALVE FOR PRESSURIZED TANKS}

도 1은 실린더 및 헤드 밸브 조립체의 단면도이며,

도 2는 실린더 헤드 조립체의 확대도이고,

도 3은 실린더 내부를 변형한 조립체의 단면도이며,

도 4는 도 3의 3-3 선을 따라 절취한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

10 : 실린더

12 : 헤드 밸브

13 : 모세관

17 : 레귤레이터

18 : 핸들

19 : 주 밸브 부재

20 : 밸브 부재

22 : 밸브 시이트

24 : 접촉 플레이트

28 : 벨로우즈 조립체

30 : 벨로우즈 챔버

38 : 밸브 스템

50 : 밸브 본체

본 발명은 압축 탱크 혹은 실린더 등의 저장 컨테이너용의 안전 밸브에 관한 것으로, 이 밸브는 컨테이너 내용물의 부주의한 누설을 방지하는 이중적인 안전 장치를 제공한다.

대부분의 산업 처리 장치 및 제조 설비는 높은 독성의 유체의 사용을 필요로 한다. 높은 독성의 수소화물 혹은 할로겐화물 가스를 안전하게 저장 및 취급해야하는 제조 장치로는 반도체 재료의 제조 장치가 대표적이다. 이러한 가스의 예로는, 실란, 게르만, 암모니아, 포스핀, 비화수소, 수소화 안티몬, 황화 수소, 셀렌화 수소, 텔루르화 수소 및 활로겐화 화합물을 들 수 있다. 이들 가스들은 독성과 안전성을 고려하여, 산업 처리 설비에서 주의 깊게 취급 및 저장되어야 한다. 특히, 반도체 산업에서는, 이온 주입에 있어서 비소(As) 및 인(P)의 공급원으로서 가스상의 비화 수소(AsH₃) 및 포스핀(PH₃)에 특히 의존하고 있다. 이온 주입 시스템은 통상적으로 10.4 MPa(1500 psig)의 압력에서 비화 수소 및 포스핀의 묽은 혼합물을 사용한다. 이러한 혼합물은 독성과 증기압이 매우 높기 때문에, 반도체 산업에 있어 이것의 사용, 운반 및 저장과 관련한 안전성의 고려가 강조되고 있다.

반도체 산업에 있어서, 심한 독성 가스가 어떻게 사용되고 있는지를 보다 구체적으로 이해할 수 있도록 아르신 취급을 예로 들면, 아르신은 통상적으로 1825KPa(250 psig)에서 압축된 컨테이너에 저장된다. 실린더에 담긴 아르신을 취급하는 생산 현장은 매우 위험한 환경을 만든다. 140g 의 아르신이 담긴 실린더 하나가 누설되면 천장 높이가 3 미터이고 3,500 평방미터의 빌딩 전체를 생명에 영향을 미치는 아르신 유해(IDLH : Immediate Danger Life and Health) 레벨로 오염시킬 수 있다. 만약, 이러한 누설이 더 심해지면, 그 레벨은 일 분 또는 이 분내에 도발하게 되어 누설 근원에 인접한 지대에 매우 심각한 농도 집중이 수 시간 동안 지속될 것이다.

아르신 컨테이너는 통상적으로 일단부에 밸브가 마련되어 있는 500cc의 가스 실린더를 사용한다. 1825KPa(250 psig)에서 펌핑된 액체 아르신은 그 용량(즉, 140g)의 약 20% 만큼 실린더를 채우게 된다. 실린더가 채워지면, 밸브는 폐쇄되고 안전 캡은 밸브의 배출 포트에 설치된다. 실린더는 경량(약 2.5 kgs)이며, 밸브는 실린더의 중량에 비해 강하기 때문에, 실린더의 밸브가 있는 단부를 콘크리트 바닥으로부터 3 또는 6미터 높이에서 낙하시킬 경우에도 밸브 혹은 실린더는 파손되지 않는다. 이러한 소형 실린더의 강도는 대형의 가스 실린더에서 항시 문제시되는 밸브의 보호에 대한 염려를 없애준다.

컨테이너를 전달 받은 일반 사용자(end-user)는 통기가 양호한 지대에서 안전 캡을 제거하여 컨테이너를 항시 수직하게 세운 상태로 일반 사용자의 장치에 설치하여 밸브를 개방시킨다. 그 다음, 이 컨테이너는 밸브 단부의 위치에 따라 액 체 아르신 혹은 가스 아르신을 분배한다. 밸브 단부를 아래로 하면 아르신 액체가 분출될 것이며, 밸브 단부를 위로 하면 아르신 가스가 분출될 것이다. 밸브의 위치에 상관없이, 일반 사용자의 장치는 실린더로부터 가스상으로 배출되거나 또는 일반 사용자의 장치내에서 액체에서 가스상으로 전환되는 것과 무관하게 항시 가스상의 아르신을 사용한다.

액체 아르신의 포화 압력은 실온(22℃)에서 1825KPa(250 psig)이다. 이는 컨테이너와 장치 간의 연결 부위에 또는 일반 사용자의 장치 자체에 어떠한 누설이 존재할 경우 아르신은 1825KPa 압력에서 대기로 방출된다는 것을 의미한다. 따라서, 1825KPa 에서 혹은 더 높은 압력에서 확실한 기밀 상태로 유지하는 상기 연결 부위들은 반드시 장치의 모든 부품 및 컨테이너에 접속되는 부품들을 결합하여야 한다. 만약, 일반 사용자가 밸브를 먼저 개방한 다음 안전 플러그를 제거할 경우, 140g의 아르신 전부는 수 초만에 솟아져 버린다. 이러한 현상은 밸브의 단부가 아래로 향하고 있을 때 특히 심하다. 이러한 경우는, 누가 밸브 핸들을 완전히 개방시키도록 돌려서 밸브가 폐쇄되어 있다고 생각하게 만들기에 충분하게 핸들이 들러붙어 있게 될 정도의 토크를 이용하여 개방시킬 수 없을 때에도 발생할 수 있다. 실수로 밸브가 폐쇄되어 있다고 생각하면서 안전 캡의 제거 혹은 실린더의 분해는 아르신을 더 빨리 방출시키는 결과를 초래한다.

이러한 유체의 부주의한 방출로부터 초래될 수 있는 심각한 부상 및 사망의 관점에서 볼 때, 종래에는 이러한 독성 유체의 방출에 따른 대참사를 방지하기 위한 장치가 개시되어 있다. 현재 통용되고 있는 장치의 일례로는 아르신 혹은 그 밖의 독성이 심한 불순물을 흡착제에 구속시키는 장치를 들 수 있다. 예컨대, US-A-4,744,221 에는 아르신을 제올라이트에 흡수시켜 저장하기 위해 아르신을 약 -30℃ 내지 약 +30℃ 온도에서 제올라이트와 접촉시킴으로써 아르신의 저장 및 운반하는 장치가 개시되어 있다. 그 다음, 가열에 의해 약 175℃ 까지 상승된 온도에서 제올라이트로 부터 아르신을 분리시킨다. 상기 US-A-4,744,221 에 의한 방법은 아르신의 운반을 위해 가열 작업이 필요하다는 점에서 불리하다. 이러한 가열과 관련된 문제점으로는 저장 용기의 열 용량이 매우 커야 한다는 것이다. 저장 용기의 열 용량이 크면 분배 작업에 소요되는 시간을 지체시키게 된다. 또한, 가열에 의해 아르신이 분해됨으로써, 수소 가스가 형성되어 폭발 위험성이 커진다. 아르신의 열 분해는, 또한 처리 장치의 가스압 증가의 불리한 원인을 제공하게 된다.

US-A-5,704,965, US-A-5,704,967, US-A-5,707,424, US-A-5,518,528 에는 대기 온도에서 작동하는 수소화물 가스 및 할로겐화물 가스의 저장 및 분배를 위한 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 상기 가스에 대해 높은 저장(흡착) 용량을 갖고 있는 제올라이트 재료로부터 독성의 유체를 제거하기 위해 감압을 이용한다. 상기 특허 US-A-5,518,528 에 개시된 바와 같이, 이 장치에는 저장 용기의 내압 이하의 압력을 공급하기 위한 디스펜스 조립체가 설치되어 있다. 감압에 의해 고체상의 물리적 흡수 매체로부터 소르빈산염 가스가 흡수된다. 흡수제로부터 상당량의 아르신을 회수하기 위해 매우 낮은 압력이 사용되어야 한다. 흡수제가 완전히 충만되어 있을 때, 분배 압력은 9.8KPa(600torr)가 되어야 한다. 흡수제가 절반 정도 충만되어 있을 때, 분배 압력은 약 9.3KPa(70torr)로 내려간다. 대부분의 매스 플 로어(mass flow) 제어기는 20KPa(150torr)의 작동 압력까지만 내려간다. 25KPa(150torr)의 압력에서, 흡수제에 흡수된 아르신은 60% 만 흡수제에 남게 된다. 흡수제 형태의 실린더에서 40% 이상의 아르신을 필요로 하는 초저압 매스 플로어 제어기를 설치함으로써 전술한 장치를 개조할 수도 있다.

US-A-4,936,877 에는 캐리어(carrier) 가스로의 분산을 이용한 아르신 운반 장치가 개시되어 있다. 이 장치에서, 아르신은 캐리어 가스와 아르신이 접촉하게 되는 혼합 챔버에 설치된 유속 제어 막을 통해 저장조를 빠져나가게 된다.

밸브 잠금 장치는 캐리어 가스 저장 기구로부터의 액체 유동을 제한하기 위한 보다 직접적인 수단을 제공한다. 특히, US-A-4,723,867, US-A-4,738,693 에는 밸브 블록에 설치된 막 및 다이어프램 요소의 사용에 관해 개시되어 있는데, 이 밸브 블록에는 반도체 산업용의 도핑 운반에서 액체 누출을 방지하기 위해 복수개의 다중 포트 밸브가 내장되어 있다.

일반적으로 공지의 밸브 구조에 있어서 밸브 부재의 제어를 위해 통상 밀봉된 벨로우즈 막(bellows membrane)을 사용한다. US-A-4,157,072 에는 선박용 연료 탱크에 사용되는 통기 밸브가 개시되어 있다. 이 특허 공보에는 침몰된 선박으로부터 연료의 누출을 방지하는 높은 수압에 반응하는 밀봉 벨로우즈 구조에 대해 기재되어 있다.

본 발명의 주목적은 독성의 액체 혹은 가스가 부주의에 의해 누출 혹은 유출 가능성을 감소시키는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 독성 유체의 취급, 저장 및 운반을 제어하기 위한 흡착제 사용을 필요 없게 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 공급 설비에 설치될 때만 그 내용물을 방출하는 탱크 혹은 실린더용 밸브를 제공하는 데 있다.

본 발명의 장치는 저장 컨테이너의 배출부를 통해 운반된 모든 독성 유체의 누출을 자동적으로 제한하는 레귤레이터(regulator)를 제공한다.

이 레귤레이터는 저장 컨테이너의 배출부에 또는 그 배출부에 대해 하류에 마련되어 조건에 따라 반응하는 밸브 부재를 사용하는데, 그 결과 컨테이너의 외측이나 또는 압력 레귤레이터에 적절한 유체 방출 조건이 성립되지 않을 경우에 유체의 방출이 방지된다. 상기 방출 조건은, 저장 중에 또는 정상적인 조작 및 저장 순서에 따라 밸브를 취급하는 중에 그리고 정상적인 대기 조건에서 극히 드물게 발생하게 하는 미리 정해진 조건을 말한다. 이러한 조건은 레귤레이터의 가열, 또는 전류, 전압, 자장 및 특별한 기계적 힘을 레귤레이터에 또는 그 위에 가하는 것을 포함할 수 있다. 상기 레귤레이터는 예정된 압력 조건, 혹은 더 양호하게 그 하류에 진공 상태가 형성될 때까지 유체의 방출을 방지할 수 있고, 또 압력에 민감한 요소를 포함하는 것이 바람직하다. 더욱 확실한 안전을 위해, 상기 방출 조건은, 컨테이너가 일반 사용자의 장치를 안전하게 연결시키기 위해 적절하게 배치될 때까지 방출 조건이 형성될 수 없도록 일반 사용자의 장치에 의해 성립되는 구체적인 조건에 알맞게 할 수 있다. 이러한 방법으로, 본 발명은 저장 컨테이너로부터 독성 유체의 운반을 위한 안전 장치를 제공할 수 있다.

효율을 높이기 위해 상기 컨테이너 밸브 혹은 컨테이너 자체는 레귤레이터를 내장하게 된다. 이 레귤레이터는 컨테이너 밸브의 상류 혹은 하류에 위치할 수 있다. 컨테이너 밸브의 상류에 레귤레이터를 설치함으로써, 안전 조작이 실행되지 않을 때 레귤레이터를 가장 양호하게 보호할 수 있게 해준다.

본 발명의 장치의 가장 적합한 용도는 저장 컨테이너에 내부 유동 제한에 있어서의 추가적인 안전성을 필요로 하는 것이다. 이러한 유동 제한은 컨테이너로부터의 가스상의 유체 배출을 낮은 매스의 유량으로 확실하게 억제할 것이다. 상기 매스 유량은 통상적으로 컨테이너가 일반 사용자의 장치에 가스를 공급하기 위해 반드시 요구되는 소망의 최대 유량이거나 또는 그 이상이지만, 어떠한 돌발적인 방출 유량을 엄하게 제한할 수 있을 정도로 충분하여야 한다. 공지된 모든 종류의 유동 제한 장치가 유동 제한 수단으로서의 역할을 할 수 있다. 적절한 유동 제한은 충전된 도관, 막 요소, 혹은 미세하고 다공성의 스크린 혹은 필터 재료 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 미세한 모세관은, 그 길이 및 직경을 변화시켜 최대의 방출 유량을 조절할 수 있기 때문에 유동 제한 수단으로 유용하게 사용할 수 있다. 유용한 유동 제한 수단은 컨테이너 배출부 혹은 컨테이너 밸브의 상류 어디라도 설치될 수 있다. 양호하게는, 상기 유동 제한 수단은 가스를 공급하는 실린더 혹은 탱크 내측에 위치하는 것도 바람직하다.

컨테이너로부터의 액체 방출은 액체 방출의 매스 유속이 동일하게 제한된 개구를 통해 해당 가스 방출의 매스 유속을 크게 초과하기 때문에 특히 위험하다. 따라서, 유동 제한 수단에 대한 유입부의 위치 설정은 유체 방출의 조절을 보조할 수 있다. 최고로 유리한 구조는 컨테이너로부터 액체 방출을 막을 수 있도록 유입부를 유동 제한 수단에 설치하는 것이다. 통상적으로 실린더 체적의 20% 정도 아르신을 충전하는 데 있어서, 실린더의 중간 지점에서 유동 제한 수단에 유입부를 설치함으로써, 실린더를 뒤집거나 눕힐 경우와는 상관없이 액체 아르신의 방출을 방지하게 된다. 더욱이, 유입부를 실린더의 반경방향 중앙에 위치시킴으로써 부분적으로 충전된 실린더의 수직 위치 혹은 수평 위치에 대한 액체 방출을 방지하게 된다.

따라서, 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 압축된 컨테이너의 배출부로부터 압축된 유체의 방출을 조절하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 컨테이너로부터의 유체 배출 경로를 형성하기 위해 압축 컨테이너의 배출부와 통하는 포트 본체를 포함한다. 상기 포트 본체의 상류에 또는 그 내부에 고정된 압력 레귤레이터에는, 유체 배출 경로를 통해 유동하는 유체를 차단하는 밀봉 위치와 유체 배출 경로를 따라 유체의 유동을 허용하는 개방 위치 사이를 이동하도록 되어 있는 밸브 부재가 내장되어 있다. 상기 밸브 부재의 상류에서의 압력 상태로부터 격리된 내부 체적을 형성하는 다이어프램은, 상기 밸브 부재와 연결되어 상기 밸브 부재가 다이어프램의 내압과 다이어프램 외압 사이의 압력차에 의해 개방 위치로 이동될 때까지 상기 밸브 부재를 밀봉 위치에 구속시킬 수 있도록 밸브 부재의 이동을 제어한다.

본 발명의 또 다른 양호한 실시예에 따르면, 가압된 유체를 저장하고 실린더로부터의 가압된 유체의 배출을 제어하는 실린더 및 밸브 조립체가 제공된다. 실 린더 및 밸브 조립체는 개구가 마련되어 있는 실린더를 구비한다. 밸브 조립체는 실린더 개구와 밀봉 가능하게 맞물리도록 구성된 포트 본체를 포함한다. 이 포트 본체에 의해 형성된 유체 유입 포트는 실린더 개구와 통하게 된다. 포트 본체에 의해 형성된 유체 배출 포트가 실린더 외측에 설치되어 있다. 이 유체 유입 포트와 유체 배출 포트 사이에는 밸브 본체에 의해 유체 배출 경로가 형성되어 있다. 수동 작동식 차단 밸브가 유체 배출 경로를 따라 유동하는 유체를 제어한다. 자동 밸브는, 유체 배출 경로를 따라 유동하는 유체를 차단시키는 밀봉 위치로 편향된 밸브 부재를 구비한다. 밸브 부재의 하류에 유체 배출 경로를 따라 설치된 밀봉식 벨로우즈는, 벨로우즈 내부와 외부 사이의 상대 압력차로 인해 벨로우즈가 팽창할 때 밀봉 위치로부터 개방 위치로 이동하도록 포트 본체에 대해 고정된 하나의 부분과, 밸브 부재에 작동식으로 링크된 다른 부분을 구비한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 탱크로부터 유체를 배출하고 탱크로부터의 유체의 비제어식 배출을 방지하는 방법 및 제어 장치가 제공된다. 상기 방법은, 탱크를 가압된 유체로 채우는 단계와, 탱크의 내부와 통하는 배출 포트로부터 탱크 외부에 배치된 운반 포트로의 제어식 배출을 위해 배출 경로를 설치하는 단계와, 정상적인 분위기 조건 범위를 벗어나는 열적, 기계적 또는 압력 조건에 응답하는 제어 밸브에 의해 배출 경로를 가로지르는 유체 유동을 차단하는 단계와, 배출 경로를 선택적으로 개방하고 필요에 따라 가압된 유체를 방출하도록 필요한 열적, 기계적 또는 압력 조건을 제어 밸브에 부여하는 단계를 포함한다.

예컨대, 제어 밸브는 하나의 제어 조건인 전기 펄스에 응답할 수 있었다. 밸브로부터 넘치는 유동은 전류가 밸브에 도달할 때까지 일어나지 않을 것이다. 펄스형 전류는 단지 가스의 주기적 펄스가 상기 장치로 전달되도록 작동한다. 상기 장치의 배관은 가스를 압축시키고 펄스 사이의 공급 요구량을 충족시키기 위해 적절한 양의 가스가 공급되도록 충분한 체적을 가진다. 작동 중에 관에서 누설이 일어날 경우, 상기 펄스는 배출량을 제한하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 500cc의 실린더(10)와, 그 상단부에 수동 작동식 밸브(12)와 같은 실린더 헤드 밸브가 마련되어 있고 밸브 배출부(16)를 구비한 외관상 통상의 디스펜스 유닛과 같이 보인다. 상기 장치의 내부 혹은 실린더에는 모세관(13)이 내장되어 있으며, 이 모세관은 아르신 가스를 밸브 유입부(11)로 공급하기 위해 마련된 유입구(14)를 포함한다. 실린더(10) 바닥에 있는 액상의 아르신 저장조(15)는 완전히 소진될 때까지 아르신 가스로 보충되며, 이 가스는 실린더를 빠려나가게 되고 실린더의 증기압을 유지한다. 실린더 헤드 밸브에 설치된 레귤레이터 (17)는 실린더로부터 방출되는 아르신 가스를 자동 조절하는 벨로우즈 조립체(28)를 포함한다. 핸들(18)은 주밸브 부재(19)를 수동으로 조절한다.

도 2는 레귤레이터(17)와 실린더 헤드 밸브의 내부를 보다 상세히 도시한 단면도이다. 아르신 가스가 실린더 헤드 밸브를 빠져나가는 경로에 따르면, 먼저 아르신 가스는 모세관(13)의 유동 면적을 통하여 밸브 유입부(11)로 유입된다. 실린더 헤드 밸브의 몸체는 레귤레이터(17)를 포함한다. 유입 가스는 먼저 포핏 형태의 밸브 부재(20)와 접촉한다. 스프링(21)은 밸브 부재(20)를 밸브 시이트(22)에 대하여 편향시켜 가스 유동 경로를 폐쇄 상태로 되게 한다. 밸브 부재(20)의 상부는 밸브 밀봉부(22)의 밀봉이 더욱 확실해지도록 탄성의 와셔 혹은 다른 밀봉 요소를 보유할 수 있다. 상기 스프링(21)은 정상시에는, 벨로우즈(23) 형태의 레귤레이터가 접촉 플레이트(24)를 이동시키도록 팽창할 때까지, 밸브 부재(20)를 밸브 시이트(22)에 반발하게 압압시킨다. 접촉 플레이트(24)는 제어 핀(25)에 작용하고, 제어핀(25)은 밸브 부재(20)를 밸브 시이트(22)로부터 멀어지도록 밀어낸다. 그 다음, 아르신 가스는 핀(25) 둘레의 핀 통로(26)를 통해 벨로우즈 조립체(28)를 에워싸는 벨로우즈 챔버(27)로 유동할 수 있다.

벨로우즈 조립체(28)는, 벨로우즈(23)의 내부를 지지하는 벽(31)을 구비한 내압 챔버(30)를 형성하는 벨로우즈 가이드(29)와, 벨로우즈(23)의 외부를 에워싸는 외측 슬리브와 같은 하우징(32)와, 하부 가이드 플레이트(33)로 구성된다. 벨로우즈(23)의 상단부에서 벨로우즈 가이드(29)와의 밀봉 접촉과, 그리고 벨로우즈 하단부에서 접촉 플레이트(24)와의 밀봉 접촉은 벨로우즈를 챔버(27)의 내압과 가스 유동 경로로부터 대체로 격리시킨다. 내부 챔버(30)는 전형적으로 대기압으로 밀봉되기 때문에, 벨로우즈 챔버(27)의 내압 감소는 벨로우즈 챔버(30)의 가스가 벨로우즈(23)를 팽창시키고 접촉 플레이트(24)를 핀(25)에 대하여 하향으로 밀도록 한다. 벨로우즈 가이드(29)는 하우징(32)을 그 외측 가장자리 둘레에서 구속시킨다. 이 슬리브는 가이드 플레이트(33)의 위치를 설정한다. 벨로우즈 가이드(29), 하우징(32) 및 가이드 플레이트(33) 모두는 벨로우즈(23)를 보호하도록 포위한다. 핀(25)은 가이드 플레이트(33)와 접촉 플레이트(24) 간의 정렬을 유지시키도록 가이드 플레이트(33)에 형성된 중앙 구멍을 관통한다.

벨로우즈 챔버(27)를 빠져 나온 아르신 가스는 밸브 유입 포트(34)를 통해 그리고 밀봉면(35)을 가로질러 유동한다. 나사 부싱(36)은 복층의 금속 다이어프램(48)을 밸브 본체(50)에 고정시키기 때문에 밸브 스템(38)을 통해 유체 누설이 일어나지 않도록 확실한 밀봉을 행하게 된다. 나사 밸브 스템(38)과 연결된 상태로 작동하는 핸들(18)은, 피스톤(51)이 마찰 패드(52)를 경유하여 다이어프램(48)으로 이동하도록 힘으로 가하여 주밸브 플런지(37)를 스프링(53)의 작용력에 반발하게 이동시킨다. 플런저(37)의 하방 이동은 너트(55)에 의해 밸브 본체(50)에 구속된 테프론(Teflon) 밀봉 요소(54)에 힘을 가해 상기 표면(35)에서의 밀봉을 형성하게 된다. 다이어프램(48)으로부터 멀리 밸브 스템(38)을 후퇴시킴으로써, 스프링(53)이 밸브 플런저(37)를 상승시키도록 힘을 가할 수 있게 해주기 때문에 밀봉면(35)을 분리시켜 포트(34)를 통한 가스의 유동을 허용하게 된다. 아르신 가스가 일단 밀봉면(35)을 지나게 되면, 이 가스는 챔버(40)로부터 배출 포트(41)와 밸브 배출부(16)를 향해 유동하게 된다.

이러한 레귤레이터(17)는 밸브 본체의 압력이 진공 상태 이하로 떨어질 때까지 밸브 부재(20)의 개방을 신뢰성 있게 방지하도록 설치될 수 있다. 이러한 진공 상태는 대개 500torr 이하이다. 이러한 레귤레이터의 셋팅에 있어서, 주밸브의 개방은 보호 캡이 정위치에 있는 것과는 무관하게 아르신을 실린더로부터 분출시키지 않게 된다. 통상적으로 장치는 100torr 미만의 압력에서 작동하기 때문에, 진공 특히 500torr 미만의 압력에서의 아르신 분출은 여러면에서 유리하다. 예컨대, 아르신 가스의 유동을 위한 모든 연결 부위는 부압하에 존재하기 때문에, 가스 누설이 있을 경우, 이는 일반 사용자의 장치로만 누설되고 그러한 누설은 사용자의 장치 스스로 신속히 감지한다. 따라서, 사용자는 가스 누설의 확인을 위해 연결부들 사이를 점검할 필요가 없게 된다. 추가적으로, 탱크 압력을 매스 유동 제어기에 수용가능한 압력으로 저하시키기 위해 외부에 압력 레귤레이터를 설치할 필요가 없다. 더 중요한 것은, 아르신 시스템에 설치된 파이프 연결부의 부주의한 개방이, 보호 캡을 제거한 채로 실린더 밸브를 개방하는 것 보다 덜 위험하게 된다는 것이다.

유동 통로를 제한함으로써, 심지어 레귤레이터(17)가 필요시 가스 유동을 차단하지 못하였을 경우라도 안전성을 더 증대시킬 수 있다. 전술한 제한과는 달리, 유동 면적을 모세관 형태의 크기로 제한함으로써 가장 높은 신뢰성과 적용성을 갖는 유동 제한 수단을 제공할 수 있게 된다. 하나의 또는 복수개의 소경의 보어를 마련하거나 또는 단단히 채워진 물질을 제공하든지에 무관하게, 상기 형태의 적절한 제한 수단은 모세관 작용에 의해 높은 유속에서 액체의 유동을 허용하는 반면 아주 낮은 유속에서 가스상의 유체 이송을 바람직하게 제한하게 된다.

예컨대, 모세관에 마련된 단일의 보어는 대기압하의 아르신 릴리스를 약 3sccm의 아르신으로 제한할 수 있다. 도 1을 참조하면, 이러한 형태의 유동 제한 수단을 더 명확하게 이해할 수 있고, 또 모세관(13)은 실린더(10)로부터의 단일의 배출부를 제공한다. 와선 형태의 모세관(13)은 유입부(14)를 실린더(10)의 축방향 및 반경방향의 중심에 근접하여 있게 해준다. 모세관의 내경은 통상 0.02mm(0.001 in)를 초과하지 않는다. 이러한 내경은 1825kPa(250psig)의 포화압에 있는 아르신을 모세관을 통해 분당 60mg 이하의 유속이 되도록 한정한다. 통상적으로, 일반 사용자는 분당 3 내지 10mg(1 내지 3sccm)의 유속을 원한다. 60mg 의 유속에서, 컨테이너를 비우기 위해서는 40 시간이 소요된다. 즉, 10m ×10m ×3m 의 실내에서, 생명에 영향을 미치는 아르신 유해 레벨에 도달하는 데에는 1 시간 소요된다. 1 시간은 실내에 있는 사람에게 경고하여 대피시키기에 충분한 시간이다. 더 중요한 것은, 아르신 장치에서의 파이프 연결부의 부주의한 개방 혹은 파손은, 진공이 아닌 압력하에서 작동하는 장치 보다 진공에서 작동하는 장치에서 덜 위협적이다는 것이다.

모세관의 직경 뿐만 아니라 길이는 한계점을 극복하여 소망하는 최대의 유속을 제공하기 위해 조절될 수 있다. 전술한 유속에서의 아르신 이송의 경우, 모세관은 통상 약 12마이크론 직경의 보어가 마련되어 있고 길이는 15cm 이다. 만약, 모세관의 길이는 그대로 두고 직경을 9 마이크론으로 줄일 경우, 동일한 유동 능력을 제공하기 위해 평행하게 배치된 4개의 모세관이 필요하다. 이러한 크기의 모세관은 다양한 유리 재질로 제조될 수 있다. 깨지기 쉬운 유리는 적절한 수단에 의해 보호될 수 있다.

모세관 구조는 다양하게 변형시킬 수 있다. 도 3에는 일직선의 모세관 구조체(13)를 제공하기 위해 유리 로드에 의해 형성된 모세관의 변형 형상을 이용한 탱크가 도시되어 있는데, 이 모세관의 유입부(14)는 실린더(10)의 반경방향 및 축방향의 중간 지점에서 위치하고 있다. 도 4의 단면도에 더욱 상세히 도시된 바와 같이, 금속관(42)은 통상 유리관(46)을 보호 가능하게 에워싸는 스테인레스강으로 구성된다. 유리관(46)의 내부에는 중앙 유리 로드(44)를 중심으로 직경의 모두 동일 한 6개의 고형 유리 로드(43)가 육각형으로 배치되어 있다. 로드(43)와 로드(44) 사이, 그리고 로드(43)와 유리관(46) 내측 사이에 형성된 공간(45)은 모세관 구조체(13')를 통과하는 가스를 측정하기 위한 모세관 크기의 유동 면적을 제공한다. 유리 로드(43, 44)를 따라 유리관이 수축함으로써 강성의 관 및 로드 조립체를 제공하게 된다. 따라서, 내측 로드가 파손될 경우라도, 유리관(46)에 의해 파편을 감금시킴으로써 유리관(46) 내부를 통한 모세관 유동을 유지시킬 것이다. 금속관(42)은, 보강 유닛을 제공하기 위해 유리 로드(43, 44) 둘레에 선택적인 수축이 일어날 때 견고성 및 내구성을 더 추가하게 된다. 금속관(42)의 선택적인 보강에 따라, 유리 로드의 파편 혹은 이 파편을 에워싸는 유리관은 모세관 구조체(13')을 통한 한정된 유동 경로의 기능이 거의 불변 상태로 있게 할 것이다.

모세관이 유일한 유입로인 경우, 실린더를 채우기 위한 아르신은 반드시 모세관을 통해 유입되어야 한다. 실린더 충전을 위해 보통 액상의 아르신을 실린더로 펌핑시켜야 한다. 액상의 아르신 밀도는 가스상의 아르신의 밀도 보다 약 500배 더 높다. 결국, 대부분의 액체 충전, 가스 배기 장치에 있어서, 충전에 소요되는 시간은 실린더 배기에 걸리는 시간 보다 훨씬 짧다.

본 명세서에서, 충전 시간을 감소시키고자 할 때, 실린더 충전에만 독점적으로 사용되는 큰 포트를 설치함으로써 가스/가스 시스템 혹은 유체/가스 시스템의 충전/운반을 위한 실린더의 재충전을 위한 시간을 감소시킬 수 있다. 이러한 구조의 실린더 혹은 밸브는 모세관 또는 다른 유동 제한 수단을 바이패스하는 분리형 유입 포트를 포함할 수 있다. 바이패스 포트로의 유동은 압력, 전기 혹은 자석 수 단, 또는 기계적 수단에 의해 전술한 방법에 따라 제어될 수 있다.

또한, 이동 가능한 제한 수단을 사용함으로써 실린더를 충전시킬 수 있다. 이러한 구조에 있어서, 상이한 위치 사이에서 왕복 가능하고 제한 수단과 같은 역할을 할 수 있는 필터 요소를 제공할 수 있는데, 필터 요소 하나는 가스를 컨테이너에 충전시키기 위해, 다른 하나는 가스를 컨테이너로부터 배기시키기 위해 사용된다. 제한 수단에 있어서, 이는 컨테이너로부터의 유체 유동 경로를 형성하여 밸브를 통한 유체 유동을 방지하기 위해 밀봉면에서 멀어지는 쪽으로 변위할 수 있고, 또 컨테이너로부터 밸브의 배출 포트로의 유체 유동 경로를 형성하여 유체를 제한 수단으로 통과시키지만 컨테이너로부터의 유동을 제한하기 위해 밀봉면을 향해 가까워지는 쪽으로 변위할 수 있는 밀봉체 형태일 수 있다. 이러한 방법으로, 상이한 유속에서 유체를 자동적으로 컨테이너 내부 및 외부로 이동시키기 위해 단일의 포트를 사용할 수 있다. 탱크의 유입부를 관통하는 단일의 포트를 사용함으로써, 대부분의 컨테이너의 좁은 목부를 통해 큰 유동 면적을 갖는 포트를 제공하여 탱크를 충전시키기가 용이해진다. 이동 가능한 제한 수단은, 또한 제한 수단이 밀봉면과 충분히 접촉하지 않을 경우 어떠한 가스의 방출도 차단시키기 위해 제한 수단과 함께 이동하는 밸브 밀봉 요소와 협동할 수 있다.

본 발명에 따른 안전 장치는, 압축 탱크 등의 저장 컨테이너에서 부주의한 유독 가스의 누설을 이중적으로 방지하며, 특히 아르신 가스의 운반에 유용하다.

Claims (8)

1. 압축 탱크의 배출부로부터 가압 유체의 배출을 제어하기 위한 제어 장치로서,

   높은 독성의 수소화물 또는 할로겐화물 유체를 함유하는 압축 탱크의 배출부와 연통하고, 유체 배출 경로를 형성하는 포트 본체와,

   상기 포트 본체의 상류에 또는 그 내부에 고정되고, 유체 배출 경로를 통해 유동하는 유체를 차단하는 밀봉 위치와 유체 배출 경로를 따라 유체의 유동을 허용하는 개방 위치 사이를 이동하도록 구성되는 밸브 부재와,

   상기 밸브 부재의 상류에서의 압력 상태로부터 격리된 내부 체적을 형성하고 상기 밸브 부재와 결합되는 벨로우즈 다이어프램을 포함하며,

   상기 벨로우즈 다이어프램은, 포트 본체의 내부에 상기 밸브 부재의 하류의 유체 배출 경로와 연통하여 진공 상태가 생성될 때 상기 다이어프램의 내부 체적과 포트 본체의 내부 사이의 압력차에 의해 상기 밸브 부재를 개방 위치로 이동시킬 때까지, 상기 밸브 부재를 밀봉 위치에 구속시키는 방식으로 밸브 부재의 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는 가압 유체의 배출 제어 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 포트 본체는 상기 밸브 부재에 추가하여 수동 작동식 밸브(12)를 구속하는 것을 특징으로 하는 가압 유체의 배출 제어 장치.
3. 제1항에 있어서, 제한적인 유동 경로를 구비하는 도관(13)이 유체 배출 경로의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 가압 유체의 배출 제어 장치.
4. 제1항에 있어서, 다이어프램(25)은 벨로우즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 가압 유체의 배출 제어 장치.
5. 제4항에 있어서, 벨로우즈를 에워싸는 벨로우즈 챔버를 형성하는 하우징(32)을 포함하며, 상기 벨로우즈 챔버는 밸브 부재의 하류에 위치한 유체 배출 경로의 일부와 연통하며, 상기 벨로우즈는 배출 경로와 연통하여 벨로우즈 챔버에 진공 상태가 생성될 때 밸브 부재를 개방 위치로 이동시키기에 충분한 내압으로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 가압 유체의 배출 제어 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 밸브 부재(20)는 포핏 밸브를 포함하며, 벨로우즈의 팽창은 핀(25)이 포핏 밸브를 개방 위치로 이동시키도록 작용하는 것을 특징으로 하는 가압 유체의 배출 제어 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 밀봉된 벨로우즈는, 일부가 포트 본체에 대해 고정되고, 다른 일부는 벨로우즈의 내부와 외부 사이의 상대 압력에 의해 벨로우즈가 팽창될 때 밸브 부재를 개방 위치로 이동시키기 위해 밸브 부재에 작동 가능하게 링크되어 있고, 상기 개방 위치는 유체 배출 경로를 따라 유체의 유동을 허용하는 것을 특징으로 하는 가압 유체의 배출 제어 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 벨로우즈는 벨로우즈 챔버의 진공 상태에 따라 밸브 부재를 개방 위치로 이동시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가압 유체의 배출 제어 장치.

Images