KR102055048B1 - 저장 및 송출 시스템으로부터 대기압 이하로 분배되는 유체에 대한 개선된 유동 안정성을 위한 변형된 진공 작동식 밸브 조립체 및 밀봉 메커니즘 - Google Patents

저장 및 송출 시스템으로부터 대기압 이하로 분배되는 유체에 대한 개선된 유동 안정성을 위한 변형된 진공 작동식 밸브 조립체 및 밀봉 메커니즘 Download PDF

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야슈위니 케이. 신하
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Abstract

송출 압력 스파이크와 유동 변동의 부존재를 특징으로 하는 개선된 대기압 이하 유동 안정성을 위해 변형된 진공 작동식 밸브 조립체 및 밀봉 메커니즘이 제공된다. 밸브 조립체는 비-고정 열가소성 시트 및 스태버를 포함한다. 스태버는 열가소성 시트의 내측 밀봉 표면과 기계적으로 맞물리고 맞물림 해제되도록 설계되는 원형 주연부를 갖는 상부 부분을 특징으로 한다. 밀봉 표면은 밀봉 표면 내에 포함되는 표면 불규칙부를 제거하도록 코이닝됨으로써, 스태버의 원형 상부 부분을 위한 비교적 매끄러운 코이닝된 정합 내측 밀봉 표면을 생성한다. 밸브 조립체는 또한 밸브 조립체의 송출 압력을 미세 조정할 수 있는 변형된 벨로우즈를 포함한다.

Description

저장 및 송출 시스템으로부터 대기압 이하로 분배되는 유체에 대한 개선된 유동 안정성을 위한 변형된 진공 작동식 밸브 조립체 및 밀봉 메커니즘
본 발명은 가압 실린더(pressurized cylinder) 또는 탱크와 같은 용기로부터의 유체의 배출을 방지하고 진공 작동식 밸브 조립체(vacuum-actuated valve assembly)의 하류측에 존재하는 미리 결정된 진공 조건의 적용시 유체를 분배하기 위한 변형되고 개선된 진공 작동식 밸브 조립체를 갖는 저장 및 송출 시스템(storage and delivery system)에 관한 것이다.
산업상 처리 및 제조 응용은 매우 유독한 유체의 사용을 필요로 한다. 반도체 재료의 제조는 매우 유독한 수소화물(hydridic) 또는 할로겐화물(halidic) 가스 및 이들의 혼합물의 안전한 저장 및 취급이 필요한 하나의 그러한 응용을 나타낸다. 그러한 가스의 예는 실란, 게르만(germane), 암모니아, 포스핀, 아르신, 삼불화붕소, 스티빈(stibine), 황화수소, 셀렌화수소, 텔루르화수소, 삼불화인, 오불화비소 및 다른 할로겐화물 또는 수소화물 화합물 및 이들의 가스 혼합물을 포함한다. 유독성 및 안전성 고려의 결과로서, 이들 가스는 산업 공정 설비에서 주의하여 저장 및 취급되어야 한다. 반도체 산업은 특히 이온 주입시 비소(As), 인(P), 붕소(B), 규소(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se) 및 탄소(C)의 공급원으로서 예를 들어 아르신(AsH3) 및 포스핀(PH3), 셀렌화수소(H2Se), 삼불화붕소(BF3), 다이보레인(B2H6), 사불화규소(SiF4), 사불화게르마늄(GeF4), 육불화셀레늄(SeF6), 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2)와 같은 다양한 가스 공급원에 의존한다. 이온 주입 시스템은 전형적으로 각자의 증기압으로 액화 압축 가스로서 저장되는 AsH3 및 PH3 와 같은 순수 가스와 송출 용기 내에 1500 psig만큼 높은 압력으로 저장되는 BF3 및 SiF4 와 같은 순수 가스를 사용한다. 이들의 극심한 유독성과 높은 증기압으로 인해, 반도체 산업에서의 이들의 사용, 운반 및 저장이 상당한 안전성 우려를 일으킨다.
이러한 다양한 안정성 우려를 해소하기 위해, 이들 수소화물 및 할로겐화물 화합물을 대기압 이하(sub-atmospheric) 조건에서 이온 주입 도구로 송출하기 위한 다수의 시스템이 개발되었다. 최종 사용자 유량은 전형적으로 약 0.1 내지 10 sccm의 범위일 것이다. 장치 안정성은 밸브가 대기로 개방하면, 아무것도 실린더 밖으로 누출되지 않도록 대기압 이하 압력에서의 가스의 송출을 필요로 한다. 가스의 유동을 얻기 위해서는 실린더에 진공 조건이 적용되어야 한다. 따라서, 고장 안전(fail-safe) 진공 작동식 밸브 설계가 요구된다.
예를 들어, 에이티엠아이, 인크.(ATMI, Inc.)에 의해 상용화되고 SDS™으로 알려진 화학 시스템이 압축 가스 실린더를 물리 흡착 재료로 충전하는 것과, 이러한 재료 상에 도펀트 가스를 가역적으로 흡착시키는 것을 수반한다. 탈착(desorption) 공정은 흡착 재료/실린더에 진공 또는 열을 인가하는 것을 수반한다. 실제로, 고상 흡착제로부터 가스를 탈착시키기 위해 이온 주입기로부터의 진공이 사용된다. SDS 기술과 연관된 소정 한계들이 존재하며, 이들은 하기를 포함한다: 1) 흡착 재료가 유한한 로딩 용량(loading capacity)을 가짐으로써, 주어진 크기의 실린더에 이용가능한 생성물의 양을 제한하고; 2) 실린더 패키지를 열에 노출시킴으로써 탈착 공정이 개시됨으로써, 많은 실린더 보관 장소 및 이온 주입 도구 내에서 통상적인 70℉보다 높은 온도에 실린더가 노출될 때 실린더가 대기압 및 대기압 초과 압력(super-atmospheric pressure)에 도달하여 가스를 송출하게 할 수 있으며; 3) 실린더로부터 송출되는 가스의 순도가 흡착 재료 상에서의 다른 재료/가스의 흡착/탈착으로 인해 저하될 수 있고; 4) 실린더 사용이 패키지에 인가되는 진공 심도(depth of vacuum)에 의해 영향을 받아, 실린더가 흔히 패키지 내에 상당한 미사용 생성물이 남아 있는 상태로 반환될 수 있으며; 5) 흡착제 소모가 가스 송출 시스템 내에 미립자 오염을 야기할 수 있다.
이와 별도로, 도펀트 가스의 대기압 이하 송출을 위한 다수의 기계 시스템이 개발되었다. 일부는 압력 조절기의 사용을 수반하는 반면, 다른 것들은 생성물을 대기압 이하로 제어 및 송출하는 밸브 장치를 필요로 한다. 이들 장치는 실린더의 송출 포트에 대기압 이하 또는 진공 조건이 적용될 때 송출 또는 개방되도록 설정된다. 이들 장치의 정확한 위치는 포트 몸체 내부, 목부 공동(neck cavity) 내부, 또는 실린더 그 자체의 내부에 있을 수 있다. 각각의 경우에, 압력 조절기 또는 밸브 장치가 실린더의 내부로부터 송출 포트로의 가스의 유동에 대해 실린더 밸브 시트(seat)의 상류에 위치된다.
미국 특허 제6,089,027호 및 제6,101,816호 둘 모두는 원하는 압력을 유지하기 위한 용기를 포함하는 유체 저장 및 분배 시스템에 관한 것이다. 용기는 압력 조절기, 예컨대 용기의 포트와 연관되고 미리 결정된 압력으로 설정되는 1단(single-stage) 또는 다단(multi-stage) 조절기를 포함한다. 예를 들어 밸브와 같은 유동 제어 수단을 포함하는 분배 조립체가 조절기와 가스/증기 유동 연통하도록 배치됨으로써, 밸브의 개방은 용기로부터의 가스/증기의 분배를 가져온다. 용기 내의 유체는 지배적인 온도 조건, 예컨대 주위 온도(실온)에서 그의 액화 압력을 초과하는 압력으로 용기 내에 수용되는 액체에 의해 구성될 수 있다.
미국 특허 제6,857,447 B2호는 공급원 용기가 20 내지 2,000 psig 범위의 압력으로 가스를 수용하는 가스 분배 조립체를 개시한다. 이러한 장치는 유체 배출 경로를 따라 연속하는 2개의 압력 조절기의 도입을 수용하기 위해 전형적인 것보다 큰 목부 개구를 갖는 고압 가스 실린더를 필요로 한다. 유입 가스 측의 제1 조절기는 압력을 1,000 psig(또는 그때의 용기 내의 실제 압력)로부터 100 psig로 강하시키는 반면, 제2 조절기는 100 psig로부터 대기압 이하로 강하시킨다.
미국 특허 제7,905,247호는 가압 실린더 또는 탱크로부터 유해한 유체의 배출을 방지하기 위해 실질적으로 고장 안전 시스템을 제공하는 유동 제한 배열 및 분배 진공 작동식 밸브를 갖는 유체 저장 및 분배 용기를 개시한다. 밸브 요소는 도 3에 도시된 바와 같이, 포핏 밸브(32) 및 포핏 밸브(32)에 맞닿아 안착되는 핀(42)을 포함한다. 포핏 밸브(32)는 밸브 시트(36)로 지칭되는 정합 원추형 안착 공동 내에 끼워맞추어지는 원추형 핀 장치(42)이다. 탄성중합체 재료가 포핏 밸브(32) 상에 성형된다. 폐쇄 상태에서, 스프링(34)이 통상 상태에서 포핏 밸브(32)를 밸브 시트(36)에 대항하여 가압한다. 밸브(32)가 대기압 이상으로 내부 밀봉되는 벨로우즈(38)의 챔버를 둘러싸는 미리 결정된 진공 조건에 응답하여 개방될 때, 벨로우즈(38)가 길이방향으로 팽창되어, 포핏 밸브(32)를 하향으로 가압시키기에 충분한 하향력을 생성함으로써, 포핏 밸브(32)를 시트(36)로부터 멀어지게 이동시키며, 이는 실린더 내부의 가압 가스가 관통 유동하는 간극을 생성한다. 미국 특허 제6,007,609호 및 제6,045,115호는 분배 밸브가 고장 나는 예상 밖의 경우에 압축 가스 실린더로부터 유독성 가스의 임의의 배출을 최소화하는 모세관 크기 개구를 제공하고 유체 유동 경로를 따라 배치되는 유동 제한기를 개시한다.
대안적인 진공 작동식 밸브 설계는 스프링 부싱(bushing)에 의해 제위치에 유지되는 핀(90)의 하부 기부 섹션 주위에 동심으로 배치되는 o-링(88)을 개시하는 미국 특허 제7,905,247호의 도 2에 도시된 바와 같은 o-링 설계이다. 핀(43)은 유체 유동 경로를 따른 유체 유동을 차단하는 밀봉 위치와 유체 유동 경로를 따른 유체를 허용하는 개방 위치 사이에서 이동하도록 구성된다. 구체적으로, 밀봉할 뿐만 아니라 압축 및 압축해제하도록 설계되는 퍼플루오로-탄성중합체 재료로부터 일반적으로 형성되는 o-링(88)을 수용하기 위해 만입된 카운터보어(counterbore) 또는 홈이 밸브 기부(84) 내에 제공된다. o-링(88)은 밸브 기부(84)의 홈 내에서 고정 위치에 유지된다. 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때, o-링(88)은 홈 내에서 압축된다. 밸브 기부(84)와 핀(43)의 기부(90) 사이에서의 o-링(88)의 압축은 가스의 유동을 막는다. 개방 위치에서, 대기압 이상으로 밀봉되는 벨로우즈 챔버(50)가 벨로우즈 챔버(50)를 둘러싸는 미리 결정된 진공 조건에 응답하여 팽창되어, 핀(43)의 스템 부분을 하향으로 가압시키기에 충분한 하향력을 생성함으로써, 핀(43)의 기부(90)를 o-링(88)으로부터 멀어지게 이동시키며, 이는 실린더 내부의 가압 가스가 관통 유동하는 간극을 생성한다.
관련 저장 및 송출 시스템에도 불구하고, 대기압 이하 유동 불안정은 여전히 중요한 문제이다. 특히, 송출 압력 진동과 개방 압력 스파이크가 위에 언급된 진공 작동식 밸브 및 조절기 설계 모두에서 계속된다. 유동 불안정은 반도체 제조 시설에서 이온 주입 도구를 자동으로 정지시킬 수 있는 유동 스파이크를 생성함으로써, 반도체 제조자에게 증가된 정지 시간(down time)을 초래할 수 있기 때문에, 이온 주입 도구는 그러한 송출 압력 스파이크(delivery pressure spike)와 진동에 민감한 경향이 있다. 부가적으로, 핀-포핏(pin-poppet) 밸브 설계가 문제 있게도 원하는 하류 진공 조건에서 가스를 분배하지 않는 경우가 존재한다.
그러한 단점을 고려하여, 유동을 안정시킬 수 있는 개선된 진공 작동식 밸브 조립체에 대한 필요성이 남아 있다. 본 발명의 다른 목적 및 태양은 본 출원에 첨부된 명세서, 도면 및 청구범위의 검토시 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명은 부분적으로, 저장 및 송출 시스템으로부터 대기압 이하로 분배되는 유체의 개선된 유동 안정성을 위한 변형된 진공 작동식 밸브 조립체 및 밀봉 메커니즘에 관한 것이다.
제1 태양에서, 봉입 챔버(enclosed chamber)(18)에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 변형된 벨로우즈(13)로서, 상기 봉입 챔버는 벨로우즈(13)를 둘러싸는 외부 영역(14)으로부터 상기 챔버(18)를 격리시키도록 밀봉되고, 상기 벨로우즈(13)는 벨로우즈(13)의 외부 영역(14)을 둘러싸는 미리 결정된 진공 조건에 응답하여 길이방향으로 팽창되도록 구성되는 측부 영역(31)들을 포함하며, 상기 벨로우즈(13)는 벨로우즈(13)의 외경부를 따라 포트 몸체(port body)(21)에 나사식으로 맞물리는(threadably engaged) 상부 부분을 구비하고, 벨로우즈(13)의 상기 저부 부분은 접촉 판(19)에 의해 실질적으로 한정되는, 상기 변형된 벨로우즈(13); 벨로우즈(13)의 저부 부분을 향해 연장되는 상부 단부, 및 고정 열가소성 시트(stationary thermoplastic seat)(11)의 개구(28)와 스태버(stabber)(12)의 상부 부분(16) 내의 개구(29)를 통해 연장되어 스태버(12)의 표면과 접촉하는 저부 단부를 갖는 핀(17)을 포함하고, 고정 시트(11)는 열가소성 재료로 본질적으로 이루어지고 탄성중합체 재료의 부존재(absence)를 특징으로 하며, 상기 고정 시트(11)는 시트(11)의 외측 표면(27)으로부터 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)까지 연장되는 개구(28)를 포함하고, 상기 시트(11)는 상기 고정 시트(11)의 상기 내측 밀봉 표면(26)을 따라 연장되는 홈형성된 영역(grooved region)(15)을 추가로 포함하고, 스태버(12)는 각각이 고정 시트(11)의 내부에 위치되는 몸체 부분(30) 및 상부 부분(16)을 포함하고, 고정 시트(11)의 상기 내부는 상부 부분(16)의 외경 및 몸체 부분(30)의 외경보다 큰 내경에 의해 적어도 부분적으로 한정됨으로써, 스태버(12)와 시트(11) 사이에 통로(20)를 생성하며, 스태버(12)의 상기 상부 부분(16)은 벨로우즈(13)가 비-팽창 상태에 있을 때 고정 시트(11)의 상기 홈형성된 영역(15)에 인접하여 상기 홈형성된 영역을 따라 기계적으로 맞물려 유지되고, 상기 맞물림은 통로(20)를 차단하고 통로를 통한 유체의 유동을 방지함으로써 밸브 조립체(10)의 폐쇄 구성을 생성하는 밀봉부를 생성하며, 벨로우즈(13)의 외부 영역(14)을 둘러싸는 미리 결정된 진공 조건에 응답한 길이방향으로의 측부 영역(31)들을 따른 벨로우즈(13)의 팽창은 벨로우즈(13)의 측부 영역(31)들의 길이를 접촉 판(19)을 핀(17)의 상부 단부에 대항하여 하향으로 가압시키기에 충분한 증분량만큼 증가시킴으로써, 핀(17)의 상기 저부 단부가 스태버(12)의 표면에 대항하여 내리누르고 스태버(12)의 상부 부분(16)을 고정 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)을 따라 홈형성된 영역(15)으로부터 멀어지게 누르게 함으로써, 밀봉부를 기계적으로 맞물림 해제시켜, 통로(20)를 차단 해제시키고 스태버(12)의 상부 부분(16)과 고정 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26) 사이에 간극을 생성하여, 유체가 관통 통과하는 밸브 조립체(10)의 개방 구성을 생성하는, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
제2 태양에서, 열가소성 재료로 본질적으로 이루어지고 탄성중합체 재료의 부존재를 특징으로 하는 고정 시트(11)를 포함하고, 고정 시트(11)는 고정 시트(11)의 외측 표면(27)으로부터 고정 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)까지 연장되는 개구(28)를 포함하고, 상기 시트(11)는 상기 고정 시트(11)의 상기 내측 밀봉 표면(26)을 따라 연장되는 홈형성된 영역(15)을 추가로 포함하며, 시트(11)의 상기 홈형성된 영역(15)은 스태버(12)의 상부 부분(29)과의 맞물림시 미리 결정된 탄성체 구역 내에서 탄성적으로 압축되도록 구성되는 코이닝된 표면을 포함하고, 스태버(12)는 각각이 고정 시트(11)의 내부에 위치되는 몸체 부분(30) 및 상부 부분(16)을 포함하며, 상기 상부 부분(16)은 절두-원추형 형상을 가지고, 고정 시트(11)의 내부는 상부 부분(16)의 외경 및 몸체 부분(30)의 외경보다 큰 내경에 의해 적어도 부분적으로 한정됨으로써, 스태버(12)와 시트(11) 사이에 통로(20)를 생성하며, 스태버(12)의 상기 상부 부분(16)은 폐쇄 구성과 개방 구성 사이에서 이동하도록 구성되고, 상기 폐쇄 구성은 스태버(12)의 상기 상부 부분(16)이 고정 시트(11)의 상기 홈형성된 영역(15)에 인접하여 홈형성된 영역을 따라 기계적으로 맞물려 유지되는 것에 의해 한정되며, 상기 맞물림은 통로(20)를 차단함으로써 밸브 조립체(10)의 폐쇄 구성을 생성하는 밀봉부를 생성하고, 개방 구성은 스태버(12)의 상부 부분(16)이 고정 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)을 따라 홈형성된 영역(15)으로부터 멀어지게 이격되어 밀봉부를 기계적으로 맞물림 해제시켜서 통로(20)를 차단 해제시키고 스태버(12)의 상부 부분(16)과 고정 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26) 사이에 간극을 생성하여 밸브 조립체(10)의 개방 구성을 생성함에 의해 한정되는, 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체 및 메커니즘.
제3 태양에서, 열가소성 재료로 본질적으로 이루어지고 탄성중합체 재료의 부존재를 특징으로 하는 고정 시트(11)로서, 상기 시트(11)는 고정 시트(11)의 외측 표면(27)으로부터 고정 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)까지 연장되는 개구(28)를 포함하고, 상기 시트(11)는 상기 고정 시트(11)의 상기 내측 밀봉 표면(26)을 따라 연장되는 홈형성된 영역(15)을 추가로 포함하는, 상기 고정 시트(11); 및 몸체 부분(30) 및 상부 부분(16)을 포함하는 스태버(12)를 포함하고, 고정 시트(11)는 고정 시트(11)의 홈형성된 영역(15) 내에 수용되는 상부 부분(16)을 갖는 스태버(12)를 수용하도록 구성되는, 진공 작동식 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체 및 메커니즘.
본 발명의 이점은, 전반에 걸쳐 유사한 도면 부호가 동일 특징부를 나타내는 첨부 도면과 관련하여, 본 발명의 바람직한 실시예의 하기의 상세한 설명으로부터 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1a는 밸브가 폐쇄 구성에 있는 본 발명의 원리에 따른 진공 작동식 밸브의 개략도.
도 1b는 밸브가 개방 구성에 있는 본 발명의 원리에 따른 진공 작동식 밸브의 개략도.
도 1c는 가압 가스를 저장하는 실린더 내에 배치된 진공 작동식 밸브의 개략도.
도 2는 종래의 o-링 설계 진공 작동식 밸브의 단면 개략도.
도 3은 종래의 핀 및 포핏 진공 작동식 밸브의 단면 개략도.
도 4는 비교예 1에서 시험되고 기술된 바와 같은 종래의 진공 작동식 밸브 조립체의 개방 거동의 그래프.
도 5는 비교예 2에서 시험되고 기술된 바와 같은 종래의 진공 작동식 밸브 조립체의 개방 거동의 그래프.
도 6a와 도 6b는 비교예 3에서 시험되고 기술된 바와 같은 종래의 진공 작동식 밸브 조립체의 개방 거동의 그래프.
도 7은 실시예 1에 기술된 바와 같은 본 발명의 변형된 진공 작동식 밸브 조립체의 개방 거동의 그래프.
도 8은 실시예 2에 기술된 바와 같은 본 발명의 변형된 진공 작동식 밸브 조립체의 개방 거동의 그래프.
도 9a와 도 9b는 실시예 3에서 시험되고 기술된 바와 같은 종래의 진공 작동식 밸브 조립체의 개방 거동의 그래프.
도 10a 내지 도 10c는 구성요소가 특정 탄성 구역 내에서 작동하도록 허용하기 위해 시트에 부여되는 코이닝(coining) 공정을 도시한 도면.
도 11a 내지 도 11d는 열가소성 시트가 도 10a 내지 도 10c에 묘사된 코이닝 공정에 의해 부여되는 탄성체 구역(elastic zone) 내에서 작동하는 코이닝 공정으로 인한 밀봉 및 유동 현상을 도시한 도면.
도 12a 내지 도 12d는 도 2의 종래의 o-링 설계 진공 작동식 밸브의 바람직하지 않은 형상 변화의 원인이 되는 가능한 메커니즘의 단계별 개략도를 도시한다[도 12a 내지 도 12d 각각에 벨로우즈의 공간 관계를 도시한 것을 고려한다].
도 13a는 변형된 벨로우즈의 보다 넓은 상부 부분의 측부들을 따라 위치된 나삿니(thread)를 갖는 변형된 벨로우즈 조립체를 도시한 도면이고, 도 13c는 밸브 헤드의 포트 몸체 내에 설치 및 고정된 도 13a의 변형된 나삿니-형성된(threaded) 벨로우즈 조립체를 도시한 도면.
도 13b는 보다 좁은 내측 상부 부분을 갖는 종래의 벨로우즈의 내경부를 따라 위치된 나삿니를 갖는 종래의 벨로우즈 조립체를 도시한 도면이고, 도 13d는 밸브 헤드의 포트 몸체 내에 설치 및 고정된 도 13a의 벨로우즈 조립체를 도시한 도면.
도 14a는 본 발명의 원리에 따른 스태버의 단면도.
도 14b는 도 14a의 스태버의 사시도.
본 발명의 다양한 요소들의 관계 및 기능은 하기의 상세한 설명에 의해 더 잘 이해된다. 상세한 설명은 본 발명의 범주 내에 있는 것으로서 다양한 순열들 및 조합들에서의 특징부, 태양 및 실시 형태를 고려한다. 따라서, 본 발명은 이들 특정 특징부, 태양 및 실시 형태, 또는 이들 중 선택된 하나 또는 그 이상의 것의 그러한 조합들 및 순열들 중 임의의 것을 포함하거나, 이로 이루어지거나 또는 이로 본질적으로 이루어진 것으로서 명시될 수 있다.
또한, 도면이 축척대로 되어 있지 않고, 어떤 경우에는 제조 및 조립의 종래의 상세 사항과 같은, 실시 형태의 이해를 위해 필요하지 않은 도면의 상세 사항이 생략되었다는 것을 이해하여야 한다. 본 출원에 제공된 도면은 본 발명이 수행되게 할 수 있는 원리를 예시하도록 의도된 것이다.
본 명세서에서와 같은 용어 "유체"는 기체, 액체, 증기 또는 이들의 임의의 조합을 의미하도록 의도된다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 달리 지시되지 않는 한, 모든 농도는 유체의 총 체적을 기준으로 체적 백분율("체적%")로 표현된다.
본 발명은 종래의 진공 작동식 밸브 조립체가 전형적으로 신뢰할 수 없는 밀봉 메커니즘을 보유하는 결과로서 실린더의 내부로부터 가압 가스(pressurized gas)의 안정된 대기압 이하 유동을 송출할 수 없었음을 인식하였다. 그러한 신뢰할 수 없는 밀봉 메커니즘으로부터 야기되는 불안정한 유동 거동은 전형적으로 송출 압력 스파이크 및 진동과, 심지어 몇몇 경우에, 폐쇄 구성으로부터 개방 구성으로 작동하는 밸브의 고장(failure)으로 인한 분배된 유체의 결여를 수반한다. 그러한 송출 압력 불안정성과 고장은, 목표 설정점으로부터의 유량 일탈에 직면할 때 정지시키도록 설계되는 자동 중단 시스템(auto abort system)을 포함하는 이온 주입 도구(ion implant tool)를 비롯한, 다양한 하류 공정들에 의해 허용될 수 없는 불안정한 유동 거동을 생성한다.
따라서, 본 발명은 안정된 유동 거동을 보장하기 위한 신규한 밀봉 구조체 및 메커니즘을 특징으로 하는 변형된 밸브 조립체에 관한 것이다. 후술되는 바와 같은 실시예들은 본 발명의 진공 작동식 밸브 조립체로 달성되는 현저히 개선된 유동 안정성을 보여준다.
본 발명의 원리에 따른 예시적인 진공 작동식 밸브 조립체(10)가 도 1a와 도 1b에 도시되어 있다. 도 1a와 도 1b는 각각 폐쇄 구성 및 개방 구성에 있는 밸브 조립체(10)의 구조 요소들을 도시한다. 밸브 조립체(10)의 구조적 특징부가 축척에 맞게 도시되지 않고, 일부 특징부가 본 발명의 원리를 예시할 목적으로 명확성을 위해 의도적으로 생략된다는 것이 이해되어야 한다. 도면은 밀봉 메커니즘과, 어떻게 그러한 밀봉 메커니즘이 종래의 진공 작동식 장치에 비해 우수한 유동 안정성을 생성하는지를 예시하는 방식으로 도시된다. 바람직하게는, 밸브 조립체(10)는 도 1c에 도시된 바와 같이 실린더(2)의 내부 영역 내에 완전히 배치된다. 대안적으로, 밸브 조립체(10)는 실린더 외에 다른 유형의 용기 패키지 내에 배치될 수 있다.
도 1c는 가압 유체의 저장 및 대기압 이하 송출을 위한 시스템(1)을 도시한다. 시스템(1)은 가압 유체(3)를 바람직하게는 기상(gaseous phase)으로 또는 부분적으로 기상으로 수용하는 실린더(2)를 포함한다. 이중 포트 실린더 밸브 헤드(4)가 실린더(2)의 상부 단부에 나사식으로 맞물리는 것으로 도시되어 있다. 이중 포트 실린더 밸브 헤드(4)는 로타렉스, 인크.(Rotarex, Inc.)에 의해 구매가능한 이중 포트 밸브일 수 있다. 밸브 헤드(4)는 충전 포트(6)를 가지며, 충전 포트를 통해 실린더(2)가 유체로 충전된다. 충전시, 유체(3)가 사용자 포트(8)를 통해 인출될 수 있다. 일반적으로 말하면, 실린더(2)의 내부에 가압되어 저장되는 유체(3)는 도 1c에 상향 화살표에 의해 표시된 바와 같이, 시스템(1)의 하류에 위치되는 미리 결정된 진공 조건에 응답하여 유동 배출 경로를 통해 진공 작동식 밸브 조립체(10)의 입구 내로 유동할 것이다. 핸들(7)이 사용자 포트(8)를 통한 유체 경로를 따른 유체의 제어를 허용한다. 이러한 유형의 유체 저장 및 분배 시스템이 비록 단일 포트 밸브 실린더 헤드를 언급하기는 하지만 미국 특허 제5937895호, 제6007609호 및 제6045115호에 기술되어 있으며, 이들은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
일례에서, 시스템(1)은 이온 주입 도구(도시되지 않음)에 연결된다. 유동 도관이 사용자 포트(8)의 출구로부터 이온 주입 도구의 입구까지 연장된다. 압력 변환기(pressure transducer)와 질량 유동 제어기(mass flow controller)가 바람직하게는 송출 압력(torr)과 유량(sccm)을 측정하고 데이터 로깅(data logging)하기 위해 도관을 따라 위치된다.
유동 배출 경로는 이제 더욱 상세히 논의될 도 1a와 도 1b로부터 명백하게 되는 바와 같이, 밸브 조립체(10)가 폐쇄 구성으로부터 개방 구성으로 작동할 때 생성된다. 유독성의 유해한 유체에 장기간 동안 노출될 때에도, 원하는 진공 압력으로 반복적으로 작동하는 조립체(10)의 능력은 신규한 밀봉 조립체에 기인한다. 이러한 밀봉 조립체는 맞춤형 고정 시트(customized stationary seat)(11)와 가동 스태버 구조체(movable stabber structure)(12)를 특징으로 할 수 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "고정" 또는 "움직이지 않는"은 사용 수명 동안에 시트(11)의 영구적인 이동(상향 또는 하향)이 실질적으로 없음을 지칭하도록 의도된다. 설명되는 바와 같이, 시트(11)는 밸브 조립체(10)의 폐쇄 및 개방 동안에 제어된 탄성을 겪도록 설계된다. 시트(11)는 적합한 경화된 열가소성 재료로부터 형성된다. 선택된 열가소성 시트(11)는 그의 강성으로 인해 바람직하지 않은 형상 변화를 겪지 않아 유동 안정성에 불리하게 영향을 미치지 않으며, 그 결과, 밸브 조립체(10)의 개방 구성과 폐쇄 구성 사이의 전환의 하나 이상의 사이클 동안에 형상이 실질적으로 변화없이 유지되는 경향이 있다. 반면에, 탄성중합체 o-링 밸브 설계(도 2)는 아래에서 더욱 상세히 설명될 현저한 바람직하지 않은 형상 변화를 겪어, o-링의 형상 변화를 초래하며, 이는 개방 구성과 폐쇄 구성 사이의 사이클링 동안에 유동 안정성에 불리하게 영향을 미친다. 부가적으로, 고정 열가소성 시트(11)는 시트(11) 내로의 스태버(12)의 (핀-포핏 설계에 관하여 아래에서 설명되는 바와 같은) 이른바 "웨징 효과(wedging effect)"를 야기하지 않는다. 바람직한 실시예에서, 고정 시트(11)는 다이킨 인더스트리즈 엘티디.(Daikin Industries Ltd.)로부터 구매가능하고 네오플론(Neoflon)™ 재료로 판매되는 폴리클로로트라이플루오로에틸렌(polychlorotrifluoroethylene, PCTFE)으로 지칭되는 열가소성 불소중합체로부터 형성된다. 이러한 재료는, 그의 특정 클로로트라이플루오로에틸렌 중합체 구조로 인해, o-링 설계(도 2)와 성형된 핀-포핏 설계(도 3)에 사용되는 탄성중합체 재료에 비해, 더 높은 압축 강도 및 하중 하에서의 더 낮은 변형을 갖는다. 바람직하지 않은 형상 변화를 겪지 않는 다른 적합한 열가소성 재료가 사용될 수 있다. 그러한 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌, PFA(테트라플루오로에틸렌과 퍼플루오로알킬 비닐에테르의 공중합체), FEP(테트라플루오로에틸렌과 헥사플루오로프로필렌의 퍼플루오로 공중합체), ETFE(테트라플루오로에틸렌과 에틸렌의 공중합체), 폴리비닐 클로라이드, 폴리스티렌 및 폴리아미드를 포함할 수 있지만, 이로 한정되지 않는다. 그러나, 본 발명의 원리에 따르면, 시트(11)는, 압축 하중시 변형되는 경향이 있고 밀봉부를 파괴시켜 가스의 분배 동안에 유동 불안정성을 야기하는 바람직하지 않은 형상 변화를 겪는 경향이 있는 탄성중합체 재료로부터 형성되지 않는다. 경화된 열가소성 수지는 밀봉부가 스태버(12)를 이용하여 형성된 때(도 1a) 압축 하중시 고정 시트(11)가 그의 구조적 완전성을 유지하게 한다. 그 결과, 고정 시트(11)는 가스의 저장 및 송출 동안에 바람직하지 않은 형상 변화를 겪지 않는다. 열가소성 시트(11)의 팽윤(swelling)이 발생하지 않는다.
본 발명 이전에, o-링과 핀-포핏 밸브의 밀봉 조립체는 탄성중합체 재료로부터 형성되었는데, 그 이유는 탄성중합체 재료가 변형되고 압축 하중을 받는 능력을 가졌기 때문이다. 이와 관련하여, 본 발명은 반직관적이며, 그와 반대로, 밸브 조립체(10)가 시트(11)와 스태버(12)에 관하여 기술될 다른 설계 고려 사항들의 결합을 겪을 때, 높은 변형과 압축 하중을 받지 않는 강성 열가소성 수지가 탄성중합체 밀봉부에 비해 우수한 밀봉 메커니즘의 형성을 도울 수 있다는 것을 밝혀내었다. 시트(11)는 스프링(5)이 시트(11)에 대항하여 가압하는 결과로서의 밀봉부 형성(도 1a)과 밀봉부 파괴(도 1b) 동안에 고정 상태로 유지된다. 시트(11)는 스프링(5)과 밸브 몸체의 주위 하우징(도시되지 않음) 사이에 구속되어서 움직일 수 없기 때문에 고정 상태로 유지된다.
따라서, 특정 열가소성 재료로부터 형성되는 고정 열가소성 시트(11)에 더하여, 도 1a와 도 1b에 도시된 바와 같은 스태버(12)가 요구된다. 스태버(12)는 시트(11)와 맞물려 밀봉부를 생성하며(도 1a의 폐쇄 구성) 시트(11)와 맞물림 해제되어 밀봉부를 파괴하여(도 1b의 개방 구성) 실린더(2) 내에 수용된 가스(3)가 통과하여 유동하게 하는 유동 배출부를 생성하는, 바람직하게는 금속성 재료 또는 다른 경화된 재료로부터 제조되는 구조체이다. 개방 및 폐쇄 구성은, 밀봉부가 형성되고 파괴되게 하는 메커니즘을 기술할 때 설명되는 바와 같이, 벨로우즈(13)를 둘러싸는 외부 영역(14) 내의 미리 결정된 진공 압력에 의존한다. 스태버(12)는 핀(17)이 관통해 연장되어 스태버(12)의 상부 표면과 접촉하게 하는 개구(29)(도 14a와 도 14b에서 더욱 명확하게 볼 수 있음)를 갖는다. 스태버(12)는 적합한 금속-기반 재료, 예를 들어 스테인리스강, 니켈-기반 합금, 또는 송출되는 가스와 상용가능한 다른 재료로부터 형성될 수 있다. 예로서 루비 또는 사파이어와 같은 유사한 유형의 경도를 갖는 다른 유형의 경질 재료가 또한 사용될 수 있다. 스프링(5)은 스태버(12)의 적어도 일부분 주위에서 연장되고, 팽창된 벨로우즈(13)에 의해 생성되는 충분한 하향력이 존재하지 않을 때 스태버(12)를 시트(11)에 대항하여 상향으로 편의시킨다.
상부 부분(16)은 도 14a와 도 14b에서 더욱 명확하게 볼 수 있는 바와 같이, 개구(29)를 갖는 원형-유사 구조체에 의해 한정된다. 개구(29)는 시트(11)의 홈형성된 영역(15)과의 상부 부분(16)의 맞물림(도 1a) 및 맞물림 해제(도 1b) 동안에 핀(17)의 저부 부분을 수용하도록 크기설정된다. 스태버(12)의 상부 부분(16)은 도 1a에 도시된 바와 같이, 열가소성 고정 시트(11)의 함입부 또는 홈 영역(15)을 따라 연장되는 고정 시트(11)의 상보형 내측 밀봉 면(26) 내부에 맞물림으로써, 고정 시트(11)의 홈형성된 영역(15) 내에 밀봉부를 생성하도록 구성된다.
도 14a의 단면도와 도 14b의 사시도를 참조하면, 스태버(12)의 상부 부분(16)은 몸체 부분(30)으로부터 멀어지게 연장되고, 시트 내의 홈형성된 영역(15)을 따라 시트(11)와의 실질적으로 360도 접촉을 포함하는 원형 링 또는 림(rim) 구조체로서 종료된다. 상기 스태버(12)의 상부 부분(16)은 상기 고정 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)을 따라 원주방향으로 연장된다. 원형 링 상부 부분(16)은 o-링 설계(도 2)에 비해 시트(11)의 홈형성된 영역(15)과의 접촉 표면적을 최소화하도록 설계된다. 이와 관련하여, 상부 부분(16)은 바람직하게는 o-링(88)이 핀(42)과 맞물릴 때 o-링 밸브 조립체(도 2)로 생성되는 접촉 표면적보다 10배 이상 더 작은 결과적인 접촉 표면적을 생성하는 현저히 감소된 반경 또는 유효 폭을 갖는 원형-링 또는 림 구조체를 구비한다. 다른 실시예에서, 상부 부분(16)은 o-링 밸브로 생성되는 접촉 표면적보다 최대 약 50배 더 작은, 더욱 바람직하게는 최대 75배 더 작은 결과적인 접촉 표면적을 생성한다. 예로서, 상부 부분(16)의 원형-링 유사 구조체는 약.0005 인치 내지 약.0010 인치의 범위인 반경을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상부 부분(16)은 몸체 부분(16)보다 더 좁고, 스태버(12)는 최종 치수로 기계가공되는 단일편(unitary piece)이다. 둘 모두의 설계 속성은 현저한 변형을 겪음이 없이 비교적 많은 양의 압축 응력을 견딜 수 있는 구조체를 생성한다. 스태버(12)의 다른 기하학적 구조가 적합한 구성 재료(예컨대, 금속 합금)와 조합되어 사용될 수 있고, 스태버(12)가 개별 구성요소로서 제조될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 결과적인 밀봉부는 대응하는 홈형성된 영역(15)과 상부 부분(16)의 기계적 맞물림에 의해 생성된다(도 1a). 이러한 밀봉부는 o-링(도 2) 및 핀-포핏(도 3)에 의해 형성되는 표면 접촉 밀봉부와 대조를 이룬다. 본 발명 이전에, 접촉 표면적을 증가시키는 것이 실린더(2)의 내부로부터의 가스(3)의 유동을 차단하는 데 효과적인 밀봉부를 제공하는 것으로 간주되었다. 그러나, 본 발명에 의한 밀봉부의 접촉 표면적의 감소가 예상외로 o-링 및 핀-포핏 설계에 비해 시트(11)와 스태버(12)의 상부 부분(16) 사이의 이른바 "점착(stiction)"을 감소시키는 것으로 밝혀졌다. 본 명세서에 사용되는 바와 같은 용어 "점착"은 하나의 물체가 다른 물체에 들러붙는 경향으로 정의된다. 스태버(12)와 시트(11) 사이의 본 발명의 감소된 점착은 핀-포핏 설계에 의해 관찰되는 이른바 "웨징 효과"를 제거한다.
부가적으로, 접촉 표면적의 감소는 유리하게는, 스태버(12)의 상부 부분(16)이 걸쳐서 그의 상향 배향된 힘을 시트(11)의 함입부(15) 내에 가하게 되는 보다 작은 접촉 면적의 결과로서, 보다 높은 응력을 생성한다. 이러한 보다 높은 응력은 시트(11)의 함입부(15)와의 개선된 밀봉부를 생성하며, 이러한 밀봉부는 실시예에서 입증되는 바와 같이, 종래의 진공 작동식 장치의 송출 압력 스파이크 및 유동 불안정성에 덜 취약하다.
결과적인 밀봉부는 실린더(2)로부터의 가스(3)가 도 1b에 화살표에 의해 도시된 바와 같이 벨로우즈(13) 주위로 이동할 수 있게 하는 유동 배출 경로를 차단한다. 도 1a의 폐쇄 밸브 조립체(10) 구성에서, 가스(3)는 포획된 상태로 유지되고, 밀봉부를 지나 유동할 수 없다. 밸브 조립체(10)에 의해 생성되는 밀봉부의 강도는, 저장된 유체(3)가 실린더(2)의 저부로부터 (화살표에 의해 표시된 바와 같이) 상향으로 스태버(12)의 외측 표면과 시트(11)의 내측 표면 사이의 환상 영역(20)(즉, 통로)을 따라 연장된 이후에 밀봉부에서 종료되는 영역을 차지하는 도 1a를 참조하여 인식될 수 있다. 밀봉부의 가압측(pressurized side)은 실린더 압력(예컨대, 1200 psig) 상태에 있는 반면, 밀봉부의 저압측은 진공(예컨대, 200 내지 600 torr) 상태에 있다. 시트(11)와 스태버(12)의 이러한 신규한 특징부는 밀봉부의 양측에서 압력의 그러한 급격한 전환이 가능한 감소된 접촉 면적을 갖는 밀봉부의 형성을 허용한다.
밀봉부의 맞물림 및 맞물림 해제 동안에 바람직하지 않은 형상 변화를 겪지 않는 열가소성 시트(11)의 조합은 유동 안정성과 작동 거동을 크게 개선하여, 종래의 진공 작동식 밸브 조립체에서 전형적으로 접하는 유동 스파이킹/진동을 감소시킨다. 이러한 설계 변화는 반직관적이고, 실시예에서 보여지는 바와 같이 예상외로 우수한 거동을 생성한다.
도 1a는 스태버(12)와 시트(11) 사이에 형성되는 밀봉부를 도시한 단면 개략도이다. 이러한 밀봉부는 열가소성 시트(11)의 함입부(15)에 대항하여 상향력을 가하도록 스태버(12)가 맞물릴 때 생성된다. 열가소성 시트(11)는 밀봉부의 형성 동안에 고정 상태로 또는 움직임 없이 유지된다. 스프링(5)은 스태버(12)를 시트(11)의 홈형성된 영역에 대항하여 상향으로 밀어 올리도록 스태버(12)를 편의시킴으로써, 스태버(12)가 밀봉부의 형성을 유지함으로써 이를 통한 가스 유동을 차단시킨다. 결과적인 밀봉부는 아래에서 설명되는 바와 같이, 벨로우즈(13)의 길이방향 팽창시 충분한 힘이 생성될 때까지 시트(11)의 밀봉 내측 표면(26)의 홈형성된 영역(15)을 따라 유지된다.
밸브 조립체(10)는 바람직하게는 도 1c에 도시된 바와 같이 실린더(2) 내에 배치된다. 실린더(2)의 사용자 포트(8)의 출구가 최종 사용자 장치에 연결된다. 일례에서, 최종 사용자 장치는 이온 주입 도구이다. 유동 도관이 사용자 포트(8)의 출구로부터 이온 주입 도구의 입구까지 연장된다. 이온 주입 도구는 실린더(2)에 저장되고 이로부터 분배되는 유체(예컨대, 도펀트 가스(dopant gas)(3))를 이온 주입 공정이 사용하는 미리 결정된 진공 수준(예컨대, 200 내지 400 torr)을 갖는다. 임의의 유형의 유체(3)가 저장되고 임의의 유형의 공정을 위해 밸브 조립체(10)를 사용하여 송출될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 도구 내의 압력을 감소시킬 뿐만 아니라 벨로우즈 챔버(13)를 둘러싸고 그 외부에 있는 영역(14) 내의 압력을 감소시키기 위해 진공 펌프가 사용된다. 벨로우즈(13)의 챔버(18)는 바람직하게는 대기압에서 밀봉되며, 각각이 전체적으로 참고로 포함되는 미국 특허 제7708028호; 제7905247호; 제5937895호; 제6007609호; 제6045115호; 및 제6959724호에 기재된 바와 같은 팽창가능한 아코디언-유사 챔버이다. 벨로우즈(13)를 둘러싸는 외부 영역(14)으로부터 이들 사이에서 연장되는 도관을 통해 도구까지 연속 유동 경로가 존재한다. 그 결과, 도구, 관통 도관 및 벨로우즈(13)를 둘러싸는 영역(14) 내에서 진공이 얻어질 수 있도록 직접적인 경로가 존재한다.
밀봉부를 파괴하고 도 1a의 폐쇄 밸브 조립체(10) 구성으로부터 도 1b의 개방 밸브 조립체(10) 구성으로 전환시키기 위한 메커니즘이 이제 설명될 것이다. 영역(14) 내의 압력이 허용가능한 진공 수준 범위 내에 있을 때, 벨로우즈(13)는 벨로우즈(13)의 봉입 챔버(18)(이는 바람직하게는 대기압에서 밀봉됨)와 벨로우즈(13)를 둘러싸는 영역(14)(이는 예로서 200 내지 400 torr의 범위일 수 있음) 사이의 압력 차이에 의해 도 1b에 도시된 바와 같이 길이방향으로 그의 측부 영역(31)들을 따라 팽창된다. 벨로우즈(13)의 팽창은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 접촉 판(19)을 변위시키는 하향력을 생성한다. 접촉 판(19)은 접촉 판(19)의 저부와 스태버(12)의 상부 표면 사이에서 연장되는 핀(17)의 상부 부분에 대항하여 하향으로 누른다. 전달된 힘은 핀(17)이 스태버(12)의 상부 표면을 하향으로 누르게 함으로써, 스태버(12)의 상부 부분(16)을 고정된 상태로 유지되는 열가소성 시트(11)로부터 밀어낸다. 상부 부분(16)의 하향 이동은 시트(11)로부터 스태버(12)의 상부 부분(16)을 맞물림 해제시킨다. 이러한 새로이 생성된 간극이 도 1b에 도시된 바와 같이, 시트(11)와 스태버(12)의 상부 부분 사이의 밀봉부를 기계적으로 맞물림 해제시키거나 파괴한다. 밀봉부가 파괴되면, 유체(3)(예컨대, 가스)가 관통하여 유동하는 간극이 존재한다. 이는 도 1b의 화살표에 의해 표시된 바와 같이 가스(3)가 새로이 생성된 간극을 통해 유동하게 한다. 가스(3)는 이제 스태버(12)를 지난 후에 핀 통로를 따라 그리고 핀(17) 주위에서 상향으로 연장되는 유동 배출 경로를 따라, 벨로우즈(13)의 외측 영역(14)을 따라 유동 한 후에, 밸브 조립체(10)의 상부로부터 빠져나가고 사용자 포트(18)(도 1c)를 통해 빠져나갈 수 있다. 이와 같이, 도 1b의 화살표는 가스(3)가 실린더(2)의 내부로부터 분배되는 유동 배출 경로를 나타낸다. 예로서, 생성된 간극은 0.002" 내지 0.030", 바람직하게는 0.001" 내지 0.020", 더 바람직하게는 0.0005" 내지 0.010"의 범위일 수 있다.
밀봉부를 재확립하고 도 1b의 개방 밸브 조립체(10) 구성으로부터 도 1a의 폐쇄 밸브 조립체(10) 구성으로 전환시키기 위한 메커니즘이 이제 설명될 것이다. 영역(14) 내의 압력이 증가할 때, 벨로우즈(13)가 벨로우즈(13)의 봉입 챔버(18)(이는 바람직하게는 대기압에서 밀봉됨)와 벨로우즈 주위 영역(14)(이는 예를 들어 대기압과 같은 벨로우즈 챔버(18) 내의 압력에 근사할 수 있음) 사이의 최소의 또는 실질적으로 0의 압력 차이에 의해, 도 1a에 도시된 바와 같이, 벨로우즈의 측부 영역(31)들을 따라 수축됨으로써 벨로우즈의 비-팽창 상태로 복귀된다. 충분한 압력 차이의 결여는 도 1a에 도시된 바와 같이, 벨로우즈(13)가 그의 비-팽창 상태로 복귀되게 한다. 벨로우즈(13)가 그의 비-팽창 상태로 복귀될 때, 스프링(5)이 스태버(12)를 상향으로 이동시키고, 핀(17)을 상향으로 가압시킨다. 스프링(5)이 스태버(12)를 상향으로 밀 때, 스태버(12)의 상부 부분(16)은 고정된 상태로 유지되는 열가소성 시트(11)의 홈형성된 영역(15) 내로 가압된다. 스태버(12)의 상부 부분(16)과 열가소성 시트(12)의 대응하는 홈형성된 영역(15)의 이러한 맞물림이 도 1a에 도시된 바와 같이 밀봉부를 재확립한다. 가스(3)가 관통 유동하는 간극이 존재하지 않는다. 가스(3)는 실린더(2)의 내부에 저장된 상태로 유지된다.
본 발명의 밀봉 메커니즘의 다른 특유의 태양은 코이닝에 기인할 수 있다. "코이닝"은 상보형 홈형성된 영역 또는 함입부를 함입부가 사용 수명 동안에 노출될 것보다 큰 온도와 압력에서 시트(11)의 밀봉 면 내에 생성하는 공정을 지칭한다. 구체적으로, 코이닝은 특정 열가소성 시트(11)(예컨대, 네오플론™ 시트)의 항복 조건(yield condition) 위의 온도 및 압력 조건에서 수행된다. 그러한 조건 하에서, 스태버(12)의 상부 부분(16)의 매끄러운 표면이 열가소성 시트(11)의 면을 따라 그의 임의의 표면 불규칙부에 대항하여 가압하여 스태버(12)의 원형 상부 부분(16)을 위한 비교적 매끄러운 코이닝된 정합 내측 밀봉 표면(26)을 생성한다. 도 10c는 함입부(15)가 열가소성 시트(11) 내에 형성되게 하는 코이닝의 완료 후 결과적인 밀봉 면을 도시한다. 명확성을 위해 구조적 상세 사항이 의도적으로 생략되었다. 임의의 표면 조도(surface roughness)의 제거 외에, 스태버(12)의 상부 부분(16)은 또한 상부 부분(16)의 형상과 정합하는 가압된 기하학적 구조를 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 면(26) 상에 생성한다. 이러한 공정이 도 10a 내지 도 10c에 예시되어 있다. 시트(11)의 이들 특징(표면 조도의 부존재 및 가압된 기하학적 구조) 둘 모두가 밸브 조립체(10)의 작동 동안에 열가소성 시트(11)와 스태버(12)의 상부 부분(16)의 맞물림시 우수한 밀봉부를 달성한다. 또한, 코이닝된 표면은 실시예 1 내지 실시예 3에서 입증되는 바와 같이 밸브 조립체(10)의 원활한 또는 안정된 작동 거동을 허용한다. 일례에서, 코이닝을 위한 조건이 다음과 같이 수행된다: 시트(15)와 스태버 상부 부분(16)이 폐쇄 구성으로 조립되고, 이러한 유닛이 2000 내지 3000 psig의 범위인 압력이 밸브 장치(스태버(12)와 시트(11))의 상류(스태버)측에 인가되는 동안에 화씨 110 내지 160도의 범위일 수 있는 온도로 가열된다. 조립체가 이들 조건에서 대략 1시간 동안 유지된 다음에, 압력이 해제되고, 밸브 장치가 실온으로 냉각되게 된다.
코이닝 후 홈형성된/함입된 영역(15)을 따라 연장되는 결과적인 밀봉 면 또는 표면(26)이 도 11a 내지 도 11d에 도시되어 있다. 도 11a 내지 도 11d는 열가소성 시트(11)가 도 10a 내지 도 10c에 묘사된 코이닝 공정에 의해 부여되는 구역형 탄성(zone-like elasticity) 내에서 작동하게 하는 코이닝 공정으로 인한 밀봉 및 유동 현상을 보여주도록 의도된다. 도 11b 내지 도 11d는 도 11a의 원으로 둘러싸인 영역의 확대도이다. (도 11b 내지 도 11d에서의) 흑색 실선은 시트(11)의 홈형성된 또는 함입된 영역(15) 내의 실질적으로 매끄러운 밀봉 면(26)을 예시하도록 의도된다. 밸브 조립체(10)의 정상 작동 상태 동안에, 코이닝된 열가소성 시트(11)가 작동하는 탄성체 구역(107)이 존재한다. 도 11b는 명확성을 위해 스태버(12)의 상부 부분(16)이 생략된 탄성체 구역(107)을 도시한다. 이러한 탄성체 구역(107) 내에서, 열가소성 시트(11)는 (도 12a 내지 도 12d와 관련하여 기술되는 바와 같이 바람직하지 않은 형상 변화를 겪음이 없이) 압축된다.
도 11d는 코이닝된 열가소성 시트(11)의 홈 또는 함입부(15)를 따라 상향으로 맞물린 스태버(12)의 상부 부분(16)의 원형 주연부를 도시한다. 압력이 스태버(12)의 상류에 인가될 때(즉, 벨로우즈(13)가 핀(17)과 스태버(12)를 누르기에 충분한 팽창된 구성에 있지 않은 도 11d의 폐쇄 위치), 밀봉부의 형성을 허용하기 위해 이러한 탄성체 구역(107) 내에서 압축이 발생한다. 시트(11)가 압축되고 개방 상태(도 11c)에 대해 상향으로 이동하는 깊이가 도 11d에 파선(105)에 의해 이러한 탄성체 구역(107) 내에 도시되어 있다. 스태버(12)가 벨로우즈(13)의 팽창 하에서 하향 방향으로 눌릴 때, 도 11d로부터 도 11c로 전환시킬 때 설명된 바와 같이, 벨로우즈(13)가 스태버(12)를 아래로 그리고 시트(11)로부터 멀어지게 가압하는 결과로서, 열가소성 시트(11)는 바람직하지 않은 형상 변화 없이 압축 해제된다. 도 11c는 스태버(12)의 상부 부분(16)(실선으로 표시됨)이 홈형성된 영역(15)으로부터 멀어지게 제어된 양만큼 이동하며, 시트(11)가 압축 해제되고 폐쇄 상태(도 11d)에 대해 하향으로 이동하는 것을 보여준다. 그 결과, 가스 스트림이 관통 유동하는 유동 배출 경로가 시트(11)의 함입된 표면(15)과 스태버(12)의 상부 부분(16) 사이에 생성된다. 이는 도 11c에 도시된 바와 같은 개방 상태이다. 벨로우즈(13)가 수축될 때(즉, 벨로우즈(13)의 영역(14)을 둘러싸는 압력이 벨로우즈(13)의 챔버(18)의 밀봉 압력을 초과하여 증가함에 따라 벨로우즈의 비-팽창 상태로 복귀될 때), 스태버(12)가 상향으로 이동하고 다시 시트(11)를 (바람직하지 않은 형상 변화를 겪음이 없이) 상향으로 탄성적으로 압축시켜 열가소성 시트(11)의 함입된 영역(15)을 따라 밀봉부를 생성한다(도 11d). 이러한 탄성체 구역(107) 두께가 작동 조건에 따라 1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 범위일 수 있다는 것이 고려된다. 코이닝의 결과로서 생성되는 이러한 탄성체 구역(107)의 존재는 실시예 1 내지 실시예 4에서 입증되는 바와 같이, 밸브 조립체(10)의 작동시 재현성과 신뢰성을 제공한다.
이러한 밸브 조립체(10)의 신규한 구조는 종래의 o-링 설계 진공 작동식 밸브가 겪는 송출 압력 스파이크와 진동을 극복한다. 구체적으로, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같은 o-링 밸브 설계가 사용 수명 동안에 o-링의 형상 변화를 겪는 것을 밝혀내었다. 이러한 형상 변화는 본 출원인에 의해 비교예 1 내지 비교예 4에서 관찰되고 기술되며 그래프로 예시된 바와 같이 유동 불안정성을 초래하는 것으로 판단되었다. 도 2는 종래의 o-링 설계 진공 작동식 밸브의 단면 개략도이다. o-링(88)은 핀(42)이 o-링(88)과 맞물릴 때 탄성중합체 밀봉부의 역할을 한다. o-링(88)은 밸브 기부(84)의 홈 내에서 고정 위치에 유지된다. o-링 밸브가 폐쇄 위치에 있을 때, o-링(88)은 밸브 기부(84)의 홈 내에서 핀(42)에 의해 압축된다. 본 출원인은 o-링(88)이 실린더 내의 가스의 압력과 핀(42)에 의해 가해지는 힘에 의한 압축 하중을 비롯한 다양한 힘의 인가시 상당한 변형과 형상 변화에 취약해지는 경향을 갖는 것을 밝혀내었다. 이러한 변형과 형상 변화는 o-링(88)이 밀봉부 완전성에 영향을 미침으로써, o-링 밸브의 작동시 유동 불안정성을 생성할 수 있을 정도로 발생할 수 있다.
도 12a 내지 도 12d는 도 2의 종래의 진공 작동식 밸브 조립체에 대한 o-링(88)의 바람직하지 않은 형상 변화의 원인이 되는 가능한 메커니즘의 개략도를 도시한다. 도 12a는 폐쇄 또는 밀봉 구성에 있는 밸브를 도시한다. 도 12a에서 o-링(88)과 핀(42)에 의해 생성되는 밀봉부는 파괴되지 않는다. 그 결과, 핀(42)과 밸브 기부(84)의 표면들 중 임의의 것과 o-링(88) 사이에 유동 배출 경로가 존재하지 않는다. o-링(88)은 실린더 내에 저장된 가압 가스에 의해 o-링(88)의 일부분에 가해지는 힘인 Fg의 결과로서 변형되는 형상으로 있다. 힘 Fg는 도 12a에서 화살표에 의해 표시되어 있다.
임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, (도 12b와 도 12c에 도시된 바와 같은) o-링(88)에 가해지는 다양한 다른 힘이 도 12b와 도 12c에 도시된 바와 같이 그의 형상을 변화시켜 o-링(88)의 형상을 추가로 변형시키거나 변화시켜서 기다란 형상을 생성하는 것으로 여겨진다. FAd는 o-링(88)이 밸브 기부(84)와 핀(42)의 표면으로부터 해제되는 것을 방지하는 점착력이고; FFr은 o-링(88)이 밸브 기부(84) 표면을 따라 활주하는 것을 방지하는 밸브 기부 표면을 따른 마찰력이며; Fs는 o-링(88)의 자연적인 둥근 형상으로 복귀하려고 함에 있어서 o-링에 의해 가해지는 힘이다. 도 12b와 도 12c에 도시된 현상은 동시에 발생하여 긴 o-링(88) 구성을 생성할 수 있다. 이러한 o-링(88)의 긴 구성은 밸브 기부(84)의 홈 내에서 더욱 많은 공간을 차지하며, 따라서 핀(42)을 더욱 아래로 그리고 벨로우즈로부터 멀어지게 누른다. 이러한 도 12a에 대한 핀(42)의 추가의 하향 이동은 도 12b와 도 12c에 도시된 바와 같이, 밸브 기부(84)(고정 상태로 유지됨)와 핀(42) 사이의 증가된 간격 L2에 의해 표시된다. 도 12a에 대한 핀(42)의 하향 이동은 도 12a의 간격 L1보다 큰 간격 L2에 의해 표시된다. 결과는 벨로우즈(50)가 핀(42)(도 2)의 상부로부터 이격된다는 것이다. 그 결과, 벨로우즈(50)가 핀(42)의 상부와 맞물려 이를 내리눌러서 도 12b와 도 12c의 밀봉부 구성을 파괴할 수 있게 하기 위해 벨로우즈(50)의 추가 팽창이 발생하도록 보다 큰 진공이 생성되어야 한다. o-링(88)이 길기 때문에, 이는 각각 마찰력 Ffr 및 점착력 Fad가 극복되는 점에 도달할 것이다. 이러한 밀봉부는 보다 낮은 진공 압력에서 파괴되고, o-링(88)이 밸브 기부(84)와 핀(42)의 표면으로부터 해제되어, 밸브가 폐쇄 구성으로부터 개방 구성으로 작동하게 한다. o-링(88)이 그의 자연적인 둥근 형상을 회복할 때, 핀(88)이 상향으로 이동하여 도 12d에 도시된 구성을 생성하는데, 여기서 L3은 L2보다 작다. 도 12d의 o-링(88)은 밸브 기부(84)의 홈형성된 영역 내에서 그의 자연적인 형상으로 복귀됨으로써, 벨로우즈(13)의 외부에 있는 주위 영역(14) 내의 압력이 즉각적으로 증가하게 하였으며, 이는 비교예에서 관찰되고 그래프로 예시된 바와 같이 개방 송출 압력 스파이크를 생성한다. 개방 송출 압력 스파이크가 발생할 때, 화살표에 의해 표시된 바와 같이 o-링(88)과 핀 표면(88) 사이에서 유동이 발생한다(도 12d). 비교예에서 유동 스파이크에 의해 지시된 바와 같이, o-링 밸브의 하류에 위치되는 질량 유동 제어기의 상류 압력이 또한 압력 증가한다. 결과는 질량 유동 제어기가 압력 변화를 즉각적으로 보상할 수 없기 때문에 유량의 오버슈트(overshoot)이다. 이러한 유동 스파이크는 이온 주입기를 비롯한 많은 공정에 파괴적인데, 여기서 유동의 편차는 이온 주입기가 정지되게 하고 알람 모드로 진행하게 한다.
o-링(88)의 형상의 변화와 변형은 저장되고 분배되는 가스의 특정 유형 및 가스가 저장되는 압력에 의해 추가로 영향을 받는 것으로 본 출원인에 의해 밝혀졌다. BF3와 같은 소정 유독성 가스는, 특히 저장된 BF3에 장기간(예컨대, 24시간 이상) 동안 o-링 밀봉부가 노출될 때 탄성중합체 o-링을 팽윤시킬 수 있다. 이러한 팽윤은 o-링(88)의 치수를 추가로 변화시킬 수 있다. o-링(88)은 보다 큰 연신을 겪을 수 있으며, 이는 증가된 송출 압력 스파이크 및/또는 보다 큰 유동 변동을 초래할 수 있다.
본 발명은 바람직하지 않은 형상 변화, 변형 및 팽윤에 취약하지 않은 밸브 조립체(10)에 의해 o-링 설계로 초래되는 송출 압력 스파이크와 유동 스파이크를 제거한다. 결과는 안정된 송출 압력 및 유동 거동을 생성할 수 있는 밸브의 우수한 작동 거동이다.
이러한 밸브 조립체(10)의 신규한 구조는 또한 핀-포핏 밸브의 이른바 "무유동(no-flow)" 고장 모드를 극복한다. 도 3은 종래의 핀 및 포핏 진공 작동식 밸브의 단면 개략도이다. 도 3은 밸브 시트(36)로 지칭되는 정합 원추형 안착 공동(matching conical seating cavity) 내에 끼워맞춤되는 원추형 핀 장치로서의 포핏 밸브(32)를 도시한다. 탄성중합체 재료가 포핏 밸브(32) 상에 성형된다. 폐쇄 상태에서, 스프링(34)이 보통 포핏 밸브(32)를 밸브 시트(36)에 대항하여 가압한다. 그러나, 포핏 밸브(32)의 성형된 탄성중합체는 벨로우즈의 팽창이 포핏 밸브(32)를 아래로 가압시키기에 충분한 추력(thrust force)을 생성할 수 없을 정도로 시트(36) 내에 단단히 끼이는 경향을 갖는다. 핀-포핏은 어떠한 진공 조건에서도 작동하지 않음으로써, 무유동을 생성한다. "웨지 효과(wedge effect)"로 지칭되는 그러한 고장 모드가 비교예 5에 기술된 바와 같이 관찰되었다.
본 발명은 핀-포핏 설계의 "웨지 효과" 문제를 극복하기 위해 스태버(12)와 고정 시트(11)를 사용한다. 본 발명의 밸브 조립체(10)는, 무유동을 초래할 수 있는 임의의 웨징 효과에 직면함이 없이 파괴되거나 해제될 수 있는 밀봉부를 탄성적 움직임이 생성하게 하도록 코이닝된다.
전술된 진공 작동식 장치의 다양한 유동 불안정 현상은 또한 송출 압력과 작동 압력 사이의 차이를 야기하는데, 여기서 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "송출 압력"은 벨로우즈(13) 외부의 주위 영역(14) 내의 압력을 의미하도록 의도되고, 본 명세서에 사용되는 바와 같은 "작동 압력"은 스태버(12)와 열가소성 시트(11)의 밀봉부 접촉의 파괴로부터 생성되는 간극을 가로질러 유동이 발생하는 압력을 의미하도록 의도된다. 본 발명의 진공 작동식 장치(10)는 아래의 실시예에서 입증되는 바와 같이, 적어도 부분적으로 변형 또는 팽윤에 취약하지 않은 열가소성 재료에 의해 송출 압력과 작동 압력 사이의 그러한 차이를 갖지 않는다.
바람직하게는, 도 1a 내지 도 1c에 묘사되고 도시되었던 바와 같은 벨로우즈(13)는 송출 압력의 제어를 향상시키기 위한 변형된 벨로우즈 조립체이다. 도 13a는 변형된 벨로우즈 조립체(13)의 보다 넓은 상부 부분(25)의 측부들을 따라 나삿니(22)가 위치된 변형된 벨로우즈 조립체(13)를 도시하고, 도 13c는 밸브 헤드의 포트 몸체(21) 내에 설치 및 고정된 도 13a의 변형된 나삿니-형성된 벨로우즈 조립체(13)를 도시한다. 변형된 벨로우즈(13)는 벨로우즈(13)의 외부 영역(14)을 둘러싸는 미리 결정된 진공 조건에 응답하여 팽창되도록 구성되는 봉입 챔버에 의해 적어도 부분적으로 한정된다. 벨로우즈(13)는 벨로우즈(13)의 외경부를 따라 포트 몸체(21)에 나사식으로 맞물리는 상부 부분(25)을 구비한다. 벨로우즈(13)의 저부 부분은 접촉 판(19)에 의해 한정된다. 도 13a를 참조하면, 벨로우즈(13)를 따른 나삿니(22)는 벨로우즈(13)의 보다 넓은 상부 부분(25)의 수직 외경부에 구성되고, 나삿니(22)는 인치당 더 많은 나삿니를 포함하도록 피치(pitch)가 감소된다. 결과는 벨로우즈의 나삿니(23)가 벨로우즈(24)의 중심-위치된 내측 부분을 따라 위치되고 나사(23)가 눈에 띄게 더 조대한 종래의 설계(도 2의 o-링과 도 3의 핀-포핏)를 나타내는 그리고 도 13d에 통합되는 도 13b의 벨로우즈(24)에 비해 송출 압력의 보다 우수한 제어이다. 이러한 송출 압력의 보다 우수한 제어는 벨로우즈(13)의 팽창이 벨로우즈(13)를 둘러싸는 외부 영역(14) 내의 미리 결정된 진공 조건 하에서 유동에 필요한 간극을 생성하는 데 필요한 하향력을 핀(17)과 스태버(12)에 가하도록 수직 구성에서 증분식으로 위치되는 변형된 벨로우즈(13)의 능력에 기인한다. 또한, 나삿니의 보다 작은 크기(즉, 인치당 증가된 나삿니)와 위치의 변화는 벨로우즈 조립체(13)가 벨로우즈(13)의 수직 위치설정 동안에 그의 수직축으로부터 멀어지게 기울어지는 경향을 현저히 감소시킨다. 이들 특징은 팽창된 벨로우즈(13)에 의해 스태버(12)에 가해지는 하향력의 보다 우수한 제어를 달성함으로써, 이전에 종래의 진공 작동식 장치로는 달성할 수 없는 보다 우수한 송출 압력 제어로 전환될 수 있는 방식으로 벨로우즈(13)의 수직 위치설정의 미세 조정을 허용한다.
도 13c를 참조하면, 변형된 벨로우즈 조립체(13)는 보다 우수한 증분 제어로 적절한 송출 압력을 설정하기 위해 특정 수직 위치에서 포트 몸체(21) 내에 (시계 방향으로 또는 반시계 방향으로) 나사체결된다 변형된 벨로우즈(13)의 보다 넓은 상부 부분(25)의 측부들을 따른 나삿니(22)의 크기와 위치의 변화는 o-링(도 2) 및 핀-포핏(도 3) 설계의 종래의 벨로우즈(24)에 비해 송출 압력의 보다 우수한 증분 제어를 허용한다. 예로서, 도 13c를 참조하면, 변형된 벨로우즈(13)는 본 발명의 진공 작동식 밸브 조립체(10)와 조합되어 사용될 때, 벨로우즈의 1도 회전이 약 10 torr의 송출 압력 변화를 초래하는 벨로우즈(13)의 수직 위치의 약 0.0005 인치 변화를 초래하도록, 송출 압력 제어를 현저히 개선할 수 있다. 이에 비해, 종래의 진공 작동식 핀-포핏 장치(도 13d) 내에 통합되는 종래의 벨로우즈 조립체(24)(도 13b)에 관하여, 벨로우즈(24)의 1도 회전이 벨로우즈 수직 위치의 약 0.005 인치 변화를 유발하는데, 이는 약 100 torr의 송출 압력 변화를 초래한다. 본 발명은 송출 압력 제어를 10배 증가시킬 수 있다. 본 발명에 의한 송출 압력의 보다 미세한 조절은 또한 현저히 더 우수한 재현성을 허용하여, 진공 작동식 밸브들 각각이 실질적으로 동일한 압력으로 개방 및 송출하도록 작동될 수 있는 것을 보장함으로써, 밸브간 일관성(valve-to-valve consistency)을 개선한다.
본 발명이 최종 사용자 위치로의 가스의 대기압 이하 유동을 필요로 하는 임의의 유형의 응용에 사용되도록 다용성(versatility)을 갖는다는 것이 이해되어야 한다. 예로서, 본 발명은 반도체, LED, 태양 에너지, 평판 디스플레이, 항공, 항공우주 및 방위 응용에 채용될 수 있다. 또한, 이러한 신규한 밀봉 구조체 및 메커니즘이 진공 작동식 밸브 장치 외에 다른 밸브 장치 내에 통합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명은 실린더 또는 일반적으로 가스와 유체의 송출에 사용되는 다른 알려진 용기와 같은, 저장 및 송출을 위한 임의의 시스템의 일부로서 통합될 수 있다. 또한, 본 발명은 전형적으로 유체의 송출에 사용되는 임의의 다른 적합한 부속물과 조합되어 채용될 수 있다.
다른 변형이 본 발명에 의해 고려된다. 예를 들어, 스태버 상부 부분(16)은 절두원추형 형상 외에, 시트(11)의 내측 밀봉 표면과 정합하도록 설계되는 다른 적합한 기하학적 구조를 포함할 수 있다. 또한, 시트(11)는 밀봉부의 맞물림 및 맞물림 해제 동안에 바람직하지 않은 형상 변형에 취약하지 않은 다른 적합한 열가소성 재료로부터 형성될 수 있다.
본 발명의 밀봉 메커니즘의 신규한 구조는 종래의 진공 작동식 밸브 조립체와 비교할 때 개선된 유동 거동 성능으로 전환된다. 이와 관련하여, 본 발명의 밸브의 현저히 개선된 유동 거동을 보여주기 위해 종래의 밸브와 본 발명의 밸브로 다양한 시험을 수행하였다. 아래의 비교예와 실시예가 이러한 시험을 기술한다. 본 발명이 단지 본 발명의 작동성을 보여주기 위해 제공된, 본 명세서에 제공된 예에 의해 제한되지 않다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
비교예 1 (o-링 설계; 1200 psig의 15% Xe -H 2 ; 도 4 시험)
종래의 진공 작동식 밸브 조립체를 가스 대기압 이하 송출 및 고압 저장 실린더 내로 삽입하였다. 사용된 종래의 밸브는 도 2에 도시된 바와 같은 o-링 설계였다. 밸브 조립체의 밸브 개방 거동을 평가하기 위해 유동 시험을 수행하였다. 15 체적% Xe와 잔부(balance) 수소의 가스 혼합물(Xe-H2)을 실린더 내에 충전하여 밸브 조립체 상으로의 유입 압력이 1200 psig이도록 하였다. 실린더를 질량 유동 제어기와 압력 변환기를 포함하는 유동 매니폴드(flow manifold)에 연결하였다. 질량 유동 제어기를 실린더의 출구의 하류에 위치시켰고, 0.5 sccm으로 설정하였다. 압력 변환기를 실린더의 출구와 질량 유동 제어기 사이에 배치하여 실린더로부터의 Xe-H2 가스 혼합물의 송출 압력을 측정하였다. 진공 펌프를 질량 유동 제어기의 하류에 위치시켰고, 매니폴드를 통해 진공을 생성하기 위해 사용하였다.
질량 유동 제어기를 0.5 sccm이 관통 유동하게 조절하였다. t=0초의 시험의 시작으로부터 t=400초까지, 진공 작동식 밸브 조립체를 작동시키지 않았고, 폐쇄 상태로 유지시켰으며, 그 동안에 질량 유동 제어기를 통해 유동하는 Xe-H2를 매니폴드 내에 수용된 일정 체적의 잔류 가스에 의해 0.5 sccm의 목표 유량으로 제공하였다. 시험 중 대략 400초에, 매니폴드 내의 압력을 약 325 torr로부터 250 torr보다 약간 낮은 압력으로 감소시켰으며, 이때 밸브 조립체가 개방 위치로 작동됨으로써 Xe-H2를 방출하였다. 다시 말하면, 밸브 조립체를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 작동시키는 데 보다 큰 진공이 요구되었다. 밸브가 개방될 때, 압력 변환기에 의해 측정되는 바와 같은 매니폴드 내의 송출 압력이 약 250 torr로부터 약 400 torr로 즉각적으로 증가함으로써, 도 4에 도시된 송출 압력 스파이크를 생성하였다. 이러한 송출 압력 스파이크는 질량 유동 제어기가 질량 유동 제어기의 상류에서의 송출 압력의 급격한 변화를 즉시 보상할 수 없기 때문에 유량의 오버슈트를 초래하였다. 유동은 0.5 sccm으로부터 2 sccm 초과로 급증하였다. 궁극적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 질량 유동 제어기가 유량을 다시 0.5 sccm으로 안정시킬 수 있었지만, 유량 스파이크가 발생한 후에만 안정시킬 수 있었다. 도 4는 2 sccm 초과의 유량 스파이크가 대략 400초에 그리고 송출 압력 스파이크 후에 발생하였음을 보여준다. 도 4의 원으로 둘러싸인 영역은 밸브의 개방 동안에 이러한 송출 압력 스파이크 및 대응하는 유량 스파이크 거동을 예시한다. 유량 스파이크는 이온 주입기에 파괴적인 것으로 여겨졌고, 유동의 편차는 이온 주입기가 정지되게 하였다. 송출 압력이 대략 325 내지 350 torr로 안정될 때, 질량 유동 제어기를 통한 유량이 0.5 sccm의 그의 목표치로 안정되는 것으로 관찰되었다. 도 4는 또한 밸브가 가스의 송출이 발생하는 개방 압력보다 대략 75 torr 높은 압력에서 폐쇄되는 것으로 관찰되었음을 나타낸다.
이러한 시험은 밸브를 개방시키는 데 필요한 보다 높은 진공도로 인해 송출 압력 스파이크가 발생하였음을 보여주었다. 그 결과, 밸브 개방시 가스 유량이 보다 많았고, 유량 스파이크를 초래하였다.
비교예 2 (O-링 설계; 1200 psig의 BF 3 ; 도 5 시험)
도 2에 도시되고 비교예 1에서 시험된 바와 같은 종래의 진공 작동식 밸브 조립체를 비교예 1에서와 동일한 유동 시험 및 조건을 받게 하였다. 그러나, Xe-H2와 대조적으로, BF3를 고압 실린더 내에 충전하였다. BF3를 실린더 내에 충전하여 밸브 조립체 상으로의 유입 압력이 1200 psig이도록 하였다.
밸브 조립체를 폐쇄 상태로 유지시켰으며, 그 동안에 질량 유동 제어기를 통해 유동하는 BF3를 매니폴드 내에 수용된 일정 체적의 잔류 가스에 의해 0.5 sccm의 목표 유량으로 대략 시험의 최초 600초 동안 제공하였다. 후속적으로, 매니폴드 내의 압력을 약 400 torr로부터 300 torr보다 약간 낮은 압력으로 감소시켰으며, 이때 진공 작동식 밸브 조립체가 개방 위치로 작동되어 BF3를 방출하였다. 다시 말하면, 밸브 조립체를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 작동시키는 데 보다 큰 진공이 요구되었다. 밸브가 개방될 때, 압력 변환기에 의해 측정되는 바와 같은 매니폴드 내의 송출 압력이 약 300 torr로부터 약 400 torr로 즉각적으로 증가함으로써, 도 5에 도시된 송출 압력 스파이크를 생성하였다. 이러한 송출 압력 스파이크는 질량 유동 제어기가 질량 유동 제어기의 상류에서의 송출 압력의 급격한 변화를 즉시 보상할 수 없기 때문에 유량의 오버슈트(0.5 sccm보다 많은 유량)를 초래하였다. 그 결과, 질량 유량이 실제로 0.5 sccm의 그의 목표치를 초과하였다. 궁극적으로, 질량 유동 제어기가 유량을 다시 0.5 sccm으로 안정시킬 수 있었다. 도 5는 최대 약 4 sccm의 유량 스파이크가 대략 600초에 그리고 송출 압력 스파이크 직후에 발생하였음을 보여준다. 도 5의 원으로 둘러싸인 영역은 밸브의 개방 동안에 이러한 송출 압력 스파이크 및 대응하는 유량 스파이크 거동을 예시한다. 송출 압력이 대략 400 torr로 안정될 때, 질량 유동 제어기를 통한 유량이 0.5 sccm의 그의 목표치로 안정되는 것으로 관찰되었다. 도 5는 또한 밸브가 가스의 송출이 발생하는 개방 압력보다 대략 75 내지 100 torr 높은 압력에서 폐쇄되는 것으로 관찰되었음을 나타낸다.
이러한 시험은 밸브를 개방시키는 데 필요한 보다 높은 진공도로 인해 송출 압력 스파이크가 발생하였음을 보여주었다. 그 결과, 밸브 개방시 가스 송출 압력이 보다 컸으며, 이는 유량 스파이크를 초래하였다. 장시간의 BF3 노출이 탄성중합체 o-링 재료 내에 흡수되어 그의 형상을 변화시키는 것으로 밝혀졌으며, 이는 송출 압력 변동의 원인이 되는 것으로 여겨졌다.
비교예 3 (o-링 설계; 40,000회 사이클 + 1280 psig에서의 13일간의 BF 3 유지; 도 6a와 도 6b 시험)
종래의 o-링 설계의 진공 작동식 밸브 조립체를 도 2에 도시된 바와 같이 가스 대기압 이하 송출 및 고압 저장 실린더 내로 삽입하였다. 밸브 조립체가 40,000회 개방/폐쇄 사이클에 이어서 1250 psig 및 104℉에서의 BF3의 13일간 유지를 포함하는 일련의 다양한 시험을 받게 한 후에 밸브 조립체의 유동 안정성을 다양한 유량에서 평가하였다. 밸브 조립체의 단일 개방 및 폐쇄를 단일 사이클로 지정하였다. 각각의 사이클을 BF3 가스를 사용하여 수행하였다. 밸브를 5000회 사이클 동안 개방 및 폐쇄시킨 후에, 실린더가 빈 상태에 접근할 때까지 1250 psi의 압력에서 실린더로부터 4 sccm으로 유동하는 BF3로 이루어지는 런 다운 시험(run down test)을 수행하였다. 이러한 프로토콜(protocol)을 총 40,000회 사이클이 완료될 때까지 반복하였다.
이어서, 1250 psig BF3와 0.5, 2, 5 및 7 sccm의 유량에서 유동 시험을 수행한 다음에 가압된 BF3를 1250 psig BF3 상태로 40oC에서 13일 동안 실린더 내에 유지시켰다. 이러한 13일 BF3 유지는 BF3에 대한 종래의 o-링 밸브의 장시간의 노출의 영향을 평가하기 위해 설계되었다.
위의 시험들 각각을 수행한 후에, o-링 밸브의 개방 거동을 다양한 유량에서 평가하였다. 특히, 도 6a와 도 6b를 참조하면, 질량 유동 제어기를 통한 대기압 이하 유동이 0.5, 2, 5 및 7 sccm으로 발생하였다. 송출 압력과 유량을 모니터링하고 데이터 로깅하였고, 결과가 도 6a와 도 6b에 나타나 있다. 도 6a는 특히 최초 900초에 관하여, 송출 압력이 유량들 각각에서 불규칙하였고 시험의 지속시간 전반에 걸쳐 전혀 안정되지 않았음을 보여준다. 송출 압력 스파이크와 변동이 시험의 지속시간 전반에 걸쳐 발생하였다. 도 6b는 질량 유동 제어기를 통한 유동이 0.5 sccm일 때 시험의 최초 900초에 대한 도 6a의 확대도를 도시한다. 송출 압력은 특히 200 torr에서 불안정하였고, 유량은 0.5 sccm에서 요동을 보였다. 도 6b는 밸브가 가스의 송출이 발생하는 개방 압력보다 대략 100 torr 높은 압력에서 폐쇄되는 것으로 관찰되었음을 나타낸다.
이러한 시험은 o-링 밸브 조립체가 임의의 유량에서 안정된 유동 거동을 유지시킬 수 없었음을 확인하였다. BF3의 장시간의 노출이 실린더로부터 BF3를 분배하는 o-링 진공 작동식 밸브의 능력에 불리하게 영향을 미친 것으로 판단되었다.
비교예 4 (도 2의 o-링 설계; 1500 psig에서의 불안정한 유동)
도 2의 o-링 진공 작동식 밸브를 가스 대기압 이하 송출 및 고압 저장 실린더 내로 삽입하였다. 비교예 1에서의 압력보다 높은 압력에서 밸브 조립체의 유동 안정성을 평가하였다. 아르곤 가스를 고압 실린더 내에 충전하여 밸브 조립체 상으로의 유입 압력이 1500 psig이도록 하였다. 비교예 1에서와 동일한 시험 구성을 사용하였다. 구체적으로, 실린더를 비교예 1에 기술된 바와 같이 유동 매니폴드에 연결하였다. 특히, 유동 매니폴드는 질량 유동 제어기와 압력 변환기를 포함하였다. 질량 유동 제어기를 실린더의 출구의 하류에 위치시켰고, 2 sccm으로 설정하였다. 압력 변환기를 실린더의 출구와 질량 유동 제어기 사이에 배치하여 실린더로부터의 아르곤 가스의 송출 압력을 측정하였다. 진공 펌프를 질량 유동 제어기의 하류에 위치시켰고, 매니폴드를 통해 진공을 생성하기 위해 사용하였다.
이러한 시험은 o-링 설계가 비교예 1에 비해 훨씬 더 큰 유동 불안정성을 야기하였음을 나타내었다. o-링 밸브의 개방시 송출 압력 스파이크가 시험 동안에 불규칙한 유동 거동을 초래하였다.
비교예 5 (도 3의 핀-포핏 설계; 웨지 효과 고장 모드; 900 psig에서 유동이 달성되지 않음)
도 3의 핀-포핏 진공 작동식 밸브를 가스 대기압 이하 송출 및 고압 저장 실린더 내로 삽입하였다. 핀-포핏 밸브의 유동 안정성을 평가하였다. 아르곤 가스를 고압 실린더 내에 충전하여 밸브 조립체 상으로의 유입 압력이 900 psig이도록 하였다. 비교예 4에 기술된 바와 동일한 시험 구성을 사용하였다.
핀-포핏은 시험 동안에 생성되는 임의의 진공도에서 작동하지 않음으로써, 유동을 생성하지 않았다. 이러한 시험은 핀의 성형된 탄성중합체가 벨로우즈의 팽창이 핀을 아래로 가압시키기에 충분한 추력을 생성할 수 없을 정도로 핀 주위에 단단히 끼이는 경향을 갖는 핀-포핏 설계와 관련된 흔한 고장 모드를 나타내었다.
실시예 1 (변형된 밸브 조립체; 1200 psig의 15% Xe-H 2 ; 도 7 시험)
도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같은, 본 발명의 변형된 진공 작동식 밸브 조립체를 가스 대기압 이하 송출 및 고압 저장 실린더 내로 삽입하였다. 변형된 밸브 조립체의 밸브 개방 거동을 평가하기 위해 유동 시험을 수행하였다. 15% Xe와 잔부 수소의 가스 혼합물(Xe-H2)을 실린더 내에 충전하여 밸브 조립체 상으로의 유입 압력이 1200 psig이도록 하였다. 실린더를 비교예 1과 비교예 2에 기술된 바와 동일하게 구성되는 유동 매니폴드에 연결하였다. 비교예 1과 비교예 2에 기술된 바와 동일한 조건 하에서 유동 시험을 수행하였다.
시험 중 대략 50초에, 변형된 밸브 조립체를 개방 위치로 작동시켜 Xe-H2를 분배하였다. 도 7은 밸브의 개방시 송출 압력 스파이크 또는 진동이 발생하지 않았음을 보여준다. 그 결과, 질량 유동 제어기에 의해 측정되는 바와 같은 유량이 0.5 sccm의 그의 목표치로 지속적으로 유지되었다. 유동 변동이 관찰되지 않았다. 도 7은 밸브가 가스의 송출이 발생하는 개방 압력보다 단지 20 torr 높은 압력에서 폐쇄되는 것으로 관찰되었음을 나타내는데, 이는 비교예 1 내지 비교예 3의 종래의 밸브 조립체와 대조적으로 이러한 밸브의 민감성을 나타내었다.
변형된 밸브는 비교예 1에서 시험된 종래의 밸브 조립체에 비해 Xe-H2를 분배할 때 현저히 개선된 유동 안정성을 보였다. 전반적으로, 이러한 시험은 시험된 종래의 o-링 밸브 조립체(도 2) 및 핀 포핏 밸브 조립체(도 3)와 대조적으로 변형된 밸브의 유동 안정성을 보여주었다.
실시예 2 (변형된 설계; 1200 psig의 BF 3 ; 도 8 시험)
도 1에 도시된 바와 같은, 본 발명의 변형된 진공 작동식 밸브 조립체를 가스 대기압 이하 송출 및 고압 저장 실린더 내로 삽입하였다. 변형된 밸브 조립체의 밸브 개방 거동을 평가하기 위해 비교예 2에서와 동일한 프로토콜을 사용하여 유동 시험을 수행하였다. BF3 가스를 실린더 내에 충전하여 밸브 조립체 상으로의 유입 압력이 1200 psig이도록 하였다. 실린더를 비교예 1과 비교예 2 및 실시예 1에서와 같이 구성되는 유동 매니폴드에 연결하였다. 비교예 1과 비교예 2 및 실시예 1과 동일한 조건 하에서 유동 시험을 수행하였다.
시험 중 대략 50초에, 변형된 밸브 조립체를 개방시켰다. 도 8은 밸브의 개방시 송출 압력 스파이크가 발생하지 않았음을 보여준다. 그 결과, 질량 유동 제어기에 의해 측정되는 바와 같은 유량이 0.5 sccm의 그의 목표치로 지속적으로 유지되었다. 변형된 밸브는 비교예 2에서 시험된 종래의 밸브 조립체와 대조적으로 BF3를 분배할 때 유동 안정성을 보였다. 도 8은 밸브가 가스의 송출이 발생하는 개방 압력보다 단지 20 torr 높은 압력에서 폐쇄되는 것으로 관찰되었음을 나타내는데, 이는 비교예 1 내지 비교예 3의 종래의 밸브 조립체와 대조적으로 이러한 밸브의 민감성을 나타내었다.
이러한 시험에 의해 보여지는 안정된 유동 거동은 네오플론™ 시트 내로의 BF3 흡수의 부존재를 확인하였다. 따라서, 네오플론™ 시트는 바람직하지 않은 형상 변형에 취약하지 않았으며, 이는 o-링 밸브 설계로 수행되는 유동 시험에 비해 현저한 개선이었다.
전반적으로, 이러한 시험은 종래의 o-링 밸브(도 2) 및 핀 포핏 밸브(도 3)에 비해 변형된 밸브의 현저히 개선된 유동 안정성을 보여주었다.
실시예 3 (변형된 밸브 조립체; 40,000회 사이클 + 1280 psig에서의 13일간의 BF 3 유지; 도 9a와 도 9b 시험)
본 발명의 변형된 진공 작동식 밸브 조립체를 도 1에 도시된 바와 같이 가스 대기압 이하 송출 및 고압 저장 실린더 내로 삽입하였다. 밸브 조립체가 비교예 3에서와 동일한 조건, 즉 총 40,000회 사이클 후에 1250 psig 및 104℉에서의 BF3의 13일간 유지가 이어지는 일련의 다양한 시험을 받게 한 후에 밸브 조립체의 유동 안정성을 다양한 유량에서 평가하였다. 밸브 조립체의 단일 개방 및 폐쇄를 단일 사이클로 지정하였다. 각각의 사이클을 BF3 가스를 사용하여 수행하였다. 밸브를 5000회 사이클 동안 개방 및 폐쇄시킨 후에, 실린더가 빈 상태에 접근할 때까지 1250 psi의 압력에서 실린더로부터 4 sccm으로 유동하는 BF3로 이루어지는 런 다운 시험을 수행하였다. 이러한 프로토콜을 총 40,000회 사이클이 완료될 때까지 반복하였다. 이어서, 1250 psig BF3와 0.5, 2, 5 및 7 sccm의 실린더로부터의 유량에서 유동 시험을 수행한 다음에 가압된 BF3를 1250 psig BF3 상태로 40℃에서 13일 동안 실린더 내에 유지시켰다. 이러한 13일 BF3 유지는 BF3에 대한 변형된 밸브의 장시간의 노출의 영향을 평가하기 위해 설계되었다.
위의 시험들 각각을 수행한 후에, 변형된 밸브의 개방 거동을 다양한 유량에서 평가하였다. 특히, 도 9a와 도 9b를 참조하면, 질량 유동 제어기를 통한 대기압 이하 유동이 0.5, 2, 5 및 7 sccm으로 발생하였다. 송출 압력과 유량을 모니터링하고 데이터 로깅하였고, 결과가 도 9a와 도 9b에 나타나 있다. 도 9a는 송출 압력이 유량들 각각에서 안정되었음을 보여준다. 시험의 어떠한 부분에서도 송출 압력 스파이크와 변동이 발생하지 않았다. 도 9b는 질량 유동 제어기를 통한 유동이 0.5 sccm일 때 시험의 최초 900초에 대한 도 9a의 확대도를 도시한다. 송출 압력은 대략 350 torr로 안정되게 유지되었고, 유량은 0.5 sccm의 목표치에서 요동을 보이지 않았다. 또한, 밸브는 가스의 송출이 발생하는 개방 압력보다 단지 20 torr 높은 압력에서 폐쇄되는 것으로 관찰되었으며, 이는 비교예 1 내지 비교예 3에서 시험된 종래의 o-링 밸브 조립체와 대조적으로 이러한 밸브의 민감성을 나타내었다.
이러한 시험은 변형된 밸브 조립체가 비교예 3의 종래의 진공 작동식 밸브와 대조적으로 모든 유량에서 안정된 유동 거동을 유지시킬 수 있었음을 확인하였다. BF3의 장시간의 노출이 실린더로부터 BF3를 분배하는 변형된 진공 작동식 밸브의 능력에 영향을 미치지 않은 것으로 판단되었다.
실시예 4 (1800 psig에서 변형된 밸브 조립체에 대한 비-고장 모드 시험)
본 발명의 변형된 밸브 조립체를 도 1에 도시된 바와 같이 가스 대기압 이하 송출 및 고압 저장 실린더 내로 삽입하였다. 보다 높은 압력에서의 밸브 조립체의 유동 안정성을 평가하였다. 질소 가스를 실린더 내에 충전하여 밸브 조립체 상으로의 유입 압력이 70℉에서 1800 psig이도록 하였다. 실린더를 비교예 1에 기술된 바와 같이 유동 매니폴드에 연결하였다. 밸브 조립체가 20,000회 사이클을 거치게 하였다. 각각의 사이클은 다음으로 이루어졌다. 사용자 포트에 10초 동안 공급되는 완전 진공의 결과로서 질소 가스가 유동되어 밸브를 개방시켰다. 다음으로, 대기압을 사용자 포트에 35초 동안 공급하여 밸브를 폐쇄시켰다. 이들 파라미터를 밸브의 정상 작동 동안에 직면하게 될 것으로 예상되지 않는 가혹 조건을 시뮬레이션하도록 선택하였다. 사이클 8000 및 사이클 16000에서, 사이클링을 일시 정지시켰고, 밸브 시트를 가로지른 누출률(leak rate)을 측정하였다. 두 경우에, 누출률은 대략 1e-7 atm-cc/sec 헬륨이었으며, 이는 각각이 밸브 사이클링을 거치기 전에 핀 포핏 및 o-링 밸브에 의해 초래되는 누출률보다 한 자릿수 더 낮다. 부가적으로, 20,000회 사이클 전과 후에 질소 가스를 사용하여 밸브 유동 성능을 평가하였고, 가혹 시험 조건에도 불구하고, 대기압 이하 송출 성능의 변화가 관찰되지 않았다. 변형된 밸브는 1800 psig에서 안정된 송출 거동을 보였다. 이에 비해, 그러한 높은 압력은 종래의 설계(o-링 및 핀-포핏) 중 어느 것으로도 결코 달성할 수 없었다. 실제로, 본 발명자는 핀 포핏 설계가 대략 750 psig의 압력 상한치를 갖는 반면, o-링 설계가 대략 1500 psig의 압력 상한치를 갖는 것을 시험 및 관찰하였다. 이들 상한치에서, 두 설계는 생성물을 송출하는 데 실패하거나, 랜덤 진동 및 스파이킹을 갖고서 생성물을 송출한다. 본 발명의 새로운 변형된 밸브 설계는 예상외로 1800 psig의 높은 압력에서 작동하는 것으로 밝혀졌다. 송출 압력은 모든 사이클에 대해 안정되었고, 스파이크가 없는 안정된 유동 거동이 관찰되었다. 20,000회 사이클 후에 밸브 조립체의 고장이 발생하지 않았다. 이러한 시험은 밸브 조립체 상으로의 유입 압력이 70℉에서 1800 psig일 때에도 밸브가 반복적으로 개방 및 폐쇄될 수 있었음을 보여주었다.
이러한 시험은 밀봉부를 생성하는 본 발명의 밀봉 구조체 및 메커니즘이 종래의 진공 작동식 장치를 대표하는 것으로 여겨지는 각각 도 2와 도 3의 o-링 및 핀-포핏 진공 작동식 장치에 의해서는 가능하지 않은 우수한 유동 안정성을 생성함을 보여준다. 또한, 이러한 신규한 밀봉 구조체는 유독성 가스에 대한 장시간의 노출 하에서 바람직하지 않은 형상 변형을 겪음이 없이 그의 구조적 완전성을 유지시킬 수 있다. 이는 BF3와 같은 유독성 가스에 대한 노출시 o-링 팽윤과 변형에 취약한 o-링 설계와 완전한 대조를 이룬다. 또한, 검출가능한 송출 압력 스파이크 및 진동을 제거하는 능력은 최종 사용자 도구 정지의 위험을 감소시킨다. 또한, 본 발명은 유체의 송출시 압력 스파이킹 거동을 해결하기 위한 수단으로서, 국제출원 공개 WO 2014047522호에 기술된 바와 같은 외부의 유량 제한 오리피스(restricted flow orifice, RFO)에 대한 필요성을 제거한다.
상기 밸브 및 밀봉 메커니즘이 다양한 실시 형태의 형태로 통합될 수 있으며, 그 중 단지 몇 가지만 위에서 예시되고 설명되었다는 것을 알아야 한다. 본 발명의 특정 실시 형태인 것으로 간주되는 것이 도시하고 기술되었지만, 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 형태 또는 상세 사항에서의 다양한 수정 및 변경이 용이하게 이루어질 수 있음이 물론 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 나타내고 기술된 정확한 형태 및 상세 사항으로 한정되지 않으며, 본 명세서에 개시되고 이하에서 청구된 본 발명의 전체보다 더 적은 어떤 것으로 한정되지도 않는다.

Claims (23)

  1. 진공 작동식 밸브 조립체(vacuum-actuated valve assembly)(10)로서,
    봉입 챔버(enclosed chamber)(18)에 의해 적어도 부분적으로 한정되는 변형된 벨로우즈(13)로서, 상기 봉입 챔버(18)는 상기 벨로우즈(13)를 둘러싸는 외부 영역(14)으로부터 상기 챔버(18)를 격리시키도록 밀봉되고, 상기 벨로우즈(13)는 상기 벨로우즈(13)의 외부 영역(14)을 둘러싸는 미리 결정된 진공 조건에 응답하여 길이방향으로 팽창되도록 구성되는 측부 영역(31)들을 포함하며, 상기 벨로우즈(13)는 상기 벨로우즈(13)의 외경부를 따라 포트 몸체(port body)(21)에 나사식으로 맞물리는(threadably engaged) 상부 부분을 구비하고, 상기 벨로우즈(13)의 저부 부분은 접촉 판(19)에 의해 실질적으로 한정되는, 상기 변형된 벨로우즈(13);
    상기 벨로우즈(13)의 저부 부분을 향해 연장되는 상부 단부, 및 고정 열가소성 시트(stationary thermoplastic seat)(11)의 개구(28)와 스태버(stabber)(12)의 상부 부분(16) 내의 개구(29)를 통해 연장되어 상기 스태버(12)의 표면과 접촉하는 저부 단부를 갖는 핀(pin)(17)을 포함하고,
    상기 고정 열가소성 시트(11)는 열가소성 재료로 본질적으로 이루어지고, 또한 상기 고정 열가소성 시트(11)는 탄성중합체 재료의 부존재(absence)를 특징으로 하며, 상기 고정 열가소성 시트(11)는 상기 고정 열가소성 시트(11)의 외측 표면(27)으로부터 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)까지 연장되는 상기 개구(28)를 포함하고, 상기 고정 열가소성 시트(11)는 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)을 따라 연장되는 홈형성된 영역(grooved region)(15)을 추가로 포함하고,
    상기 스태버(12)는 각각이 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내부에 위치되는 몸체 부분(30) 및 상기 상부 부분(16)을 포함하고, 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내부는 상기 상부 부분(16)의 외경 및 상기 몸체 부분(30)의 외경보다 큰 내경에 의해 적어도 부분적으로 한정됨으로써, 상기 스태버(12)와 상기 고정 열가소성 시트(11) 사이에 통로(20)를 생성하며,
    상기 스태버(12)의 상부 부분(16)은 상기 벨로우즈(13)가 비-팽창 상태에 있을 때 상기 고정 열가소성 시트(11)의 홈형성된 영역(15) 내에 맞물려 상기 홈형성된 영역을 따라 기계적으로 맞물려 유지되고, 상기 맞물림은 상기 통로(20)를 차단하고 상기 통로(20)를 통한 유체의 유동을 방지함으로써 상기 밸브 조립체(10)의 폐쇄 구성을 생성하는 밀봉부를 생성하며,
    상기 벨로우즈(13)의 외부 영역(14)을 둘러싸는 상기 미리 결정된 진공 조건에 응답한 길이방향으로의 상기 측부 영역(31)들을 따른 상기 벨로우즈(13)의 팽창은 상기 벨로우즈(13)의 측부 영역(31)들의 길이를 상기 접촉 판(19)을 상기 핀(17)의 상부 단부에 대항하여 하향으로 가압시키기에 충분한 증분량만큼 증가시킴으로써, 상기 핀(17)의 저부 단부가 상기 스태버(12)의 표면에 대항하여 내리누르고 상기 스태버(12)의 상부 부분(16)을 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)을 따라 상기 홈형성된 영역(15) 내부로부터 맞물림 해제시킴으로써, 상기 밀봉부를 기계적으로 맞물림 해제시켜, 상기 통로(20)를 차단 해제시키고 상기 스태버(12)의 상부 부분(16)과 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26) 사이에 간극을 생성하여, 상기 유체가 관통 통과하는 상기 밸브 조립체(10)의 개방 구성을 생성하는, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정 열가소성 시트(11)의 홈형성된 영역(15)은 상기 스태버의 상부 부분과의 맞물림시 미리 결정된 탄성체 구역(elastic zone) 내에서 탄성적으로 압축되도록 구성되는 코이닝된 표면(coined surface)을 포함하는, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부 부분은 절두-원추형 형상인, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  4. 제1항에 있어서, 저장 및 송출 장치(storage and delivery device)(1)의 내부에 배치되는 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  5. 제1항에 있어서, 상기 고정 열가소성 시트(11)는 상기 개방 구성과 상기 폐쇄 구성 사이에서의 전환의 하나 이상의 사이클 동안에 형상이 실질적으로 변화없이 유지되는, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  6. 제1항에 있어서, 상기 나삿니(thread)를 갖는 벨로우즈(13)의 단일 회전이 10 torr의 송출 압력 변화로 전환되는, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  7. 제1항에 있어서, 상기 스태버(12)의 상부 부분(16)은 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)을 따라 원주방향으로 연장되는, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  8. 제1항에 있어서, 상기 유체는 비소(As), 인(P), 붕소(B), 규소(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄 및 탄소의 공급원으로서
    (i) 아르신(AsH3), 포스핀(PH3), 다이보레인(B2H6), 셀렌화수소(H2Se), 및 이들 중 2종 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 기체 수소화물;
    (ii) 삼불화붕소(BF3), 사불화규소(SiF4), 사불화게르마늄(GeF4), 육불화셀레늄(SeF6), 삼불화인(PF3), 및 이들 중 2종 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 할로겐화물; 및
    (iii) 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 및 이 둘의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 산화물
    로부터 선택되는 가스인, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  9. 제1항에 있어서, 상기 밀봉부를 기계적으로 맞물림 해제시켜 상기 개방 구성을 생성하는 것은 압력 변환기(pressure transducer)에 의해 측정되는 검출가능한 송출 압력 스파이크(delivery pressure spike)와 유동 제어기에 의해 측정되는 유동 변동의 부존재(absence)를 특징으로 하는, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  10. 제2항에 있어서, 상기 탄성체 구역의 두께는 0 내지 2000 psig의 작동 조건에서 1 마이크로미터 내지 100 마이크로미터의 범위인, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  11. 제1항에 있어서, 송출 압력이 작동 압력과 실질적으로 동일한, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  12. 제1항에 있어서, 상기 밸브 조립체(10)의 개방 구성은 상기 유체가 0.1 내지 10 sccm의 범위인 유량으로 최종 사용자에게 유동하게 하는, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  13. 제1항에 있어서, 상기 열가소성 재료는 폴리클로로트라이플루오로에틸렌(PCTFE)인, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  14. 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체로서,
    열가소성 재료로 본질적으로 이루어지고, 또한 탄성중합체 재료의 부존재(absence)를 특징으로 하는 고정 열가소성 시트(11)를 포함하고,
    상기 고정 열가소성 시트(11)는 상기 고정 열가소성 시트(11)의 외측 표면(27)으로부터 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)까지 연장되는 개구(28)를 포함하고, 상기 고정 열가소성 시트(11)는 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)을 따라 연장되는 홈형성된 영역(15)을 추가로 포함하며,
    상기 고정 열가소성 시트(11)의 홈형성된 영역(15)은 스태버(12)의 상부 부분(16)과의 맞물림시 미리 결정된 구역 내에서 압축되도록 구성되는 표면을 포함하고,
    상기 스태버(12)는 각각이 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내부에 위치되는 몸체 부분(30) 및 상기 상부 부분(16)을 포함하며,
    상기 고정 열가소성 시트(11)의 내부는 상기 상부 부분(16)의 외경 및 상기 몸체 부분(30)의 외경보다 큰 내경에 의해 적어도 부분적으로 한정됨으로써, 상기 스태버(12)와 상기 고정 열가소성 시트(11) 사이에 통로(20)를 생성하며,
    상기 스태버(12)의 상부 부분(16)은 폐쇄 구성과 개방 구성 사이에서 이동하도록 구성되고, 상기 폐쇄 구성은 상기 스태버(12)의 상부 부분(16)이 상기 고정 열가소성 시트(11)의 홈형성된 영역(15) 내에 맞물려 상기 홈형성된 영역을 따라 기계적으로 맞물려 유지되는 것에 의해 한정되며, 상기 맞물림은 상기 통로(20)를 차단함으로써 상기 밸브 조립체(10)의 폐쇄 구성을 생성하는 밀봉부를 생성하고,
    상기 개방 구성은 상기 스태버(12)의 상부 부분(16)이 상기 홈형성된 영역(15) 내부로부터 맞물림 해제되게 하여 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)을 따라 상기 홈형성된 영역(15)으로부터 멀어지게 이격되게 하여서 상기 통로(20)를 차단 해제시키고 상기 스태버(12)의 상부 부분(16)과 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26) 사이에 간극을 생성하여 상기 밸브 조립체(10)의 개방 구성을 생성함에 의해 한정되는, 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체.
  15. 제14항에 있어서, 상기 폐쇄 구성으로부터 상기 밀봉부를 기계적으로 맞물림 해제시켜 상기 개방 구성을 생성하는 것은 압력 변환기에 의해 측정되는 검출가능한 송출 압력 스파이크와 유동 제어기에 의해 측정되는 유동 변동의 부존재(absence)를 특징으로 하는, 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체.
  16. 제14항에 있어서, 탄성체 구역의 두께는 200 내지 400 torr의 작동 조건에서 1 마이크로미터 내지 50 마이크로미터의 범위인, 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체.
  17. 제14항에 있어서, 송출 압력이 작동 압력과 실질적으로 동일한, 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체.
  18. 제14항에 있어서, 상기 열가소성 재료는 폴리클로로트라이플루오로에틸렌(PCTFE)으로부터 형성되는, 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체.
  19. 제14항에 있어서, 상기 고정 열가소성 시트(11)의 홈형성된 영역(15)은 상기 스태버(12)의 상부 부분(16)과의 맞물림시 미리 결정된 탄성체 구역 내에서 탄성적으로 압축되도록 구성되는 코이닝된 표면을 포함하는, 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체.
  20. 제14항에 있어서, 상기 상부 부분(16)은 절두-원추형 형상을 갖는, 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체.
  21. 진공 작동식 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체로서,
    열가소성 재료로 본질적으로 이루어지는 고정 열가소성 시트(11)로서, 또한 상기 고정 열가소성 시트(11)는 탄성중합체 재료의 부존재(absence)를 특징으로 하며, 상기 고정 열가소성 시트(11)는 상기 고정 열가소성 시트(11)의 외측 표면(27)으로부터 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)까지 연장되는 개구(28)를 포함하고, 상기 고정 열가소성 시트(11)는 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26)을 따라 연장되는 홈형성된 영역(15)을 추가로 포함하는, 상기 고정 열가소성 시트(11); 및
    몸체 부분(30) 및 상부 부분(16)을 포함하는 스태버(12)를 포함하고,
    상기 고정 열가소성 시트(11)는 상기 고정 열가소성 시트(11)의 홈형성된 영역(15) 내에 수용되는 상기 상부 부분(16)을 갖는 상기 스태버(12)를 수용하도록 구성되는, 진공 작동식 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체.
  22. 제1항에 있어서, 상기 스태버(12)의 상부 부분(16)과 상기 고정 열가소성 시트(11)의 내측 밀봉 표면(26) 사이의 상기 간극은 0.0005 인치 내지 0.010 인치의 범위인, 진공 작동식 밸브 조립체(10).
  23. 제14항에 있어서, 상기 상부 부분(16)은 상기 몸체 부분(30)으로부터 멀리 연장되고 원형 링 구조체로 종료되는, 밸브 조립체(10)를 위한 밀봉 구조체.
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