KR20030071852A - 부식성 유체를 위해 사용되는 용기의 포트를 위한 밀봉시스템 - Google Patents
부식성 유체를 위해 사용되는 용기의 포트를 위한 밀봉시스템 Download PDFInfo
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Abstract
밀봉 시스템, 밀봉 시스템 구성품, 그리고 부식성 액체를 수용하는 용기의 제조 및 사용 방법이 개시되며, 상기 밀봉 시스템은 용기 상의 포트와 삽입물 및 밀봉 요소를 구비한다. 이 밀봉 요소는 내식성이 있고, 부식성 유체 및 임계 유체에 대해 거의 불투과성이며, 여과성 불순물이 거의 없고, 쇼어 A 경도가 약 70 내지 약 95인 재료로 제조된다. 밀봉 링의 한 가지 바람직한 재료는 폴리올레핀으로 알려져 있는 등급의 재료이다. 삽입물은 포트 및 밀봉 요소와 조작 가능하게 맞물릴 수 있어, 밀봉 요소와 제1 및 제2 밀봉면 사이에 밀봉을 생성하여 유체가 포트를 통과해 흐르는 것을 방지한다.
Description
강산이나 강염기와 같은 부식성 유체를 담는 용기는 내식성 재료로 제조되어야 하며, 적절한 재료에는 폴리에틸렌과 폴리플루오로카본이 있다. 고밀도 폴리에틸렌은 특히 유용한 재료인데, 왜냐하면 플루오로카본과 같은 특수 플라스틱에 비해 상대적으로 저렴하고 산과 염기 모두에 대하여 내성이 있기 때문이다. 또한, 고밀도 폴리에틸렌은 미량 금속과 같은 오염 물질이 없는 조제물로서 입수 가능한데, 그러한 오염 물질은 부식성 화학 물질과 반응하여 순도를 저하시킬 뿐만 아니라 용기의 구조적 무결성을 약화시킬 수 있다. 또한, 고밀도 폴리에틸렌은 종래의 플라스틱 가공 기법을 적용할 수 있으므로 드럼과 같은 용기를 제조할 수 있게 해 준다.
그러한 용기에서는 포트를 통해 유체가 출입하는데, 포트는 용기 내의 개구이다. 부식성 화학 물질을 저장하기 위해 사용되는 용기는 그 포트를 밀봉할 수 있어야 그 용기를 한 장소에서 다른 장소로 옮길 때 밀봉할 수 있거나 유체를 저장하기 위해 사용할 수 있다. 따라서, 용기의 포트는 삽입물을 수용하여 그 포트와 삽입물 사이를 밀봉하는 것이 전형적이다. 포트가 밀봉되어야 하는 것은 부식성 유체를 적절히 저장하기 위해서 뿐만 아니라, 유체가 용기 내외로 이송될 수 있게 하는 기구, 예컨대 용기의 내용물을 용기로부터 배출시키는 이송관에 끼웠을 때 새지 않기 위해서이다.
고부식성 유체를 위해 사용되는 용기에는, 용기의 포트와 삽입물 사이를 밀봉하기 위한 캡슐화 이중 재료 O링이 필요한 것이 보통이다. 캡슐화 O링에는, 탄성·가요성 재료로 제조된 코어와, 내식성을 제공하는 상이한 재료로 제조된 외층이 마련되어 있는 것이 보통이다. 따라서, 탄성 코어가 탄성과 가요성을 제공하는 한편, 외층은 내식성을 제공한다.
가요성으로 인하여 O링이 변형될 수 있으므로 취급이 용이하고 밀봉 면적이 증가한다. 따라서, 원형 횡단면의 가요성 도우넛형 O링은 그것의 둥근 엣지가 그것이 접촉하는 밀봉면의 형상과 일치하도록 압축 및 변형이 가능하다. 가요성이 적절한 코어 재료로서 실리콘 고무가 통상적으로 사용되고 있다. 가요성은 듀로미터(durometer) 경도와 관련이 있다.
탄성 재료는 그것을 원래 형상으로부터 벗어나도록 변형시키는 응력에 저항하려는 성질이 있다. 따라서, 두 밀봉면 사이에서 압박되어 있는 탄성 O링은 이들 밀봉면을 "밀쳐내려고" 하면서 밀봉 상태를 유지하게 된다. 또한, 탄성 재료는 온도 변화와 같은 요인에 따른 용기, 삽입물 및 O링 재료의 팽창 또는 수축을 보상하게 된다. 따라서, 밀봉 재료에 저온으로 인해 수축하면 탄성 O링이 팽창하여 밀봉 상태를 유지하게 된다. 이에 반하여, 탄성이 불량한 재료는 압축력에 의해 영구 변형되어 약한 밀봉을 형성하는 경향이 있다. 탄성이 불량한 재료가 제자리로 압박된 후에 점진적으로 변형되면, "크리프(creep)"라고도 알려져 있는 소성 유동이 생겨나 시간 경과에 따라 밀봉이 불량해지게 된다. 실리콘 고무는 탄성이 적절한 재료로서 통상적으로 사용되고 있다.
그러나, 실리콘 고무는 화학적 내성이 불량하여 강산이나 강염기와 접촉하는 밀봉 재료로 사용하기에는 부적합하다. 또한, 실리콘 고무는 제조 시에 상당량의 불순물이 포함되므로, 용기내 유체의 순도를 저하시킬 수 있다.
이러한 이유 때문에, 부식성 유체에 사용하는 O링은 내식성 재료의 외층으로 피복된 탄성 재료로 이루어지는 것이 통상적이며, 이를 캡슐화 이중 재료 O링이라고 부르는 것이다. 외층은 통상적으로 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 플루오르화 에틸렌 프로필렌(FEP), 또는 페르플루오로알콕시(PFA)와 같은 플루오로카본 폴리머이다. 플루오로폴리머는 내식성이 뛰어나 일반적으로 강산 및 강염기에 함께 사용하기에 적합하다. 또한, 플루오로폴리머는 불투과성이므로 부식성 유체가 O링을 통과해 흐르지 못하고 코어층의 불순물이 수용된다. 플루오로폴리머는, 용매에 노출되었을 때 내식성이 있고 불순물의 이탈에 저항하는 O링을 제조하기 위해 통상적으로 사용되는 엔지니어링 플라스틱이다.
용량이 적어도 30 갤론인 드럼을 위한 캡슐화 이중 재료 O링은 고가의 시간소모적인 공정으로 제조되며, 현재 비용이 각각 약 $4.00 든다. 상기 O링은 일회용 기구로서 사용되는 것이 전형적이므로, 용기의 포트에서 삽입물이 교환될 때마다 교체된다. 이러한 O링의 비용은, 부식성 액체를 위한 전형적인 용기의 소매 비용이 55 갤론 드럼에 대해 약 $25.00임을 감안할 때 상당한 것이다. 부식성 유체 업계는 캡슐화 이중 재료 O링을 저렴한 대체물로 교체한다면 큰 이득을 얻을 것이다.
대체물에 대한 요구에도 불구하고, 본 출원인은 부식성 유체 또는 임계 유체와 함께 사용하기 위한 캡슐화 이중 재료 O링에 대한 대체물을 종래 기술에서는 발견하지 못하였다.
본 발명은 유체를 취급하여 저장하기 위한 밀봉 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상대 이동이 가능한 부분 사이에 정적 밀봉부를 형성하는 것이 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 고부식성 화학 물질을 수용하는 용기의 포트를 밀봉하는 것에 관한 것이다.
도 1은 드럼 내에 배치되어 있는 밀봉 시스템의 단면도이다.
도 2a는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물의 평면도이다.
도 2b는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물을 도 2a의 A-A' 단면을 따라 절단한 단면도이다.
도 3a는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물의 평면도이다.
도 3b는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물을 도 3a의 A-A' 단면을 따라 절단한 단면도이다.
도 4a는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물의 평면도이다.
도 4b는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물을 도 4a의 A-A' 단면을 따라 절단한 단면도이다.
도 5a는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물의 평면도이다.
도 5b는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물을 도 5a의 A-A' 단면을 따라 절단한 단면도이다.
도 6a는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물의 평면도이다.
도 6b는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물의 좌측면도이다.
도 6c는 밀봉 시스템에 사용하기 적합한 삽입물의 정면도이다.
도 7은 드럼 내에 배치되어 있는 밀봉 시스템의 사시도와, 밀봉 시스템과 함께 사용하기에 적합한 삽입물의 분해도이다.
본 발명자들은, 부식성 유체는 담는 용기를 밀봉하기 위해 사용하는 데에는 플루오로폴리머가 아닌 다른 재료가 바람직하다는 것을 깨달았다. 플루오로폴리머는 탄성이 낮고 가요성이 제한되어 있어서 밀봉이 불량하다. 또한, 플루오로폴리머는 고밀도 폴리에틸렌과 같은 용기 재료 및 실리콘과는 열팽창률이 다르다. 열팽창률이 유사한 재료들은 온도 변화에 따라 비슷하게 팽창 또는 수축하므로 밀봉 성능이 저하되지 않는다.
본 발명자들은 본 발명에서 캡슐화 이중 재료 O링을 플루오로폴리머를 사용할 필요가 없고 각 사용 시에 비용이 약 20배 적게 드는 시스템으로 대체하였다. 종래의 시스템과는 달리, 본 발명에서는 캡슐화 이중 재료 O링을 사용하지 않는다. 본 발명은 용적이 큰, 바람직하게는 적어도 5 갤론, 더욱 바람직하게는 적어도 15갤론, 가장 바람직하게는 적어도 약 30 갤론인 용기, 예컨대 30 또는 55 갤론의 드럼 및 500-1200 리터를 수용하는 용기에 대해 특히 유용하다.
본 발명의 한 가지 실시 형태는 위험 액체 또는 부식성 액체를 수용하는 용기를 위한 밀봉 시스템으로, 이 밀봉 시스템은 용기 상의 포트와, 삽입물과, 밀봉 요소를 구비한다. 밀봉 재료는 내식성이고, 부식성 유체 및 임계 유체에 대해 거의 불투과성이며, 쇼어(Shore) A 경도가 약 70 내지 약 95인 재료를 포함하고, 삽입물의 제1 밀봉면 및 제2 밀봉면에 대해 밀봉되는 외측부를 구비한다. 삽입물은 포트 및 밀봉 요소와 조작식으로 맞물릴 수 있어, 밀봉 요소와 제1 및 제2 밀봉면 사이를 밀봉하여 포트를 통해 유체가 흐르는 것을 방지한다.
본 발명의 한 가지 바람직한 실시 형태는 쇼어 A 경도가 약 70 내지 약 95인 단일 재료로 제조된 밀봉 요소를 포함하며, 밀봉 재료는 실질적으로 단 하나의 재료인 것이 더욱 바람직하다. 밀봉 요소는 단일의 연속된 재료편인 것이 바람직하다. 한 가지 바람직한 재료는 폴리올레핀으로 알려져 있는 재료 등급이고, 더욱 바람직한 재료는 보통 상표명 ENGAGETM으로 부르는 폴리올레핀이다. 폴리올레핀은 고체이거나 포움으로서 구성되거나 당업자에게 알려져 있는 다른 형태일 수 있다. 한 가지 바람직한 실시 형태는 미량 금속이 5000 ppm 미만인 밀봉 요소이다.
본 발명의 또 다른 실시 형태는 코어 및 포위층이 있는 밀봉 요소를 포함한다. 포위층의 외측부는 삽입물 및 포트와 밀봉을 형성한다. 코어는 고체인 것이 바람직하지만, 그 밖의 변형도 가능하며, 예를 들면 중공형이거나 포움을 구비하도록 제조될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태는, 용기를 효율적으로 밀봉하지만 다른 재료, 예컨대 윤활성, 접착성, 추가 부식 보호를 제공하는 또 다른 플라스틱층 또는 피막이나, 당업자가 본 명세서를 읽으면 명백히 알 수 있는 다른 대체물로 피복되어 있는 밀봉 요소이다.
본 발명의 한 가지 실시 형태는, 밀봉 요소와 포트 및 삽입물 상의 밀봉면 사이를 밀봉하기 위해 삽입물을 조일 수 있도록 포트가 나사식으로 삽입물과 맞물리는 밀봉 시스템을 포함한다.
본 발명의 한 가지 실시 형태는 용기를 밀봉하는 방법에 관계된다. 그러한 방법의 하나는, 내식성이 있고, 부식성 유체에 대해 거의 불투과성이며, 쇼어 A 경도가 약 70 내지 약 95, 더욱 바람직하게는 약 75 내지 약 90, 보다 더 바람직하게는 약 90인 밀봉 요소를 마련하는 단계와; 밀봉 요소로 삽입물을 포트에 배치하고 삽입물이 포트와 기계적으로 맞물리게 하여, 밀봉 요소가 포트 상의 제1 밀봉면에 대해 밀봉되고 삽입물 상의 제2 밀봉면에 대해 밀봉되어 유체가 포트를 통해 흐르는 것을 방지하는 단계를 포함한다.
도 1 내지 도 7을 전체적으로 참조하면, 포트(10), 삽입물(20) 및 밀봉 링(30)을 포함하는 밀봉 시스템(41)이 용기(40)에 장착되어 있다. 포트(10)는 나사부(12)와 밀봉면(11)을 구비한다. 삽입물(20)은 삽입물 밀봉면(21), 삽입물 나사부(22) 및 삽입물 스템(24)을 구비한다. 밀봉 링(30)은 도우넛 형상이고 탄성 폴리올레틴 엘라스토머로 이루어져 있다. 유체의 출입을 가능하게 하는 포트(10)가 용기(40) 상에 위치해 있다. 포트 나사부(12)는 삽입물 나사부(22)와 나사식으로 맞물려 밀봉 링(30)을 밀봉면(11) 및 삽입물 밀봉면(21)에 대해 압박한다. 선택적으로, 삽입물(20)에 삽입물 스템(24)이 마련되어 용기(40) 내에 수용된 임계 유체(43)와 삽입물 상단 캡 조립체(26) 사이를 연통시킬 수 있다. 또한, 삽입물(20)에는 용기(40)가 삽입물(20) 내부와 연통하게 하는 개구(25)가 선택적으로 마련될 수 있다. 삽입물 밀봉면은 둥근 형상(도 4 및 도 5)이나 정사각형(도 2 및 도 3)을 비롯한 다앙한 형상으로 구성될 수 있다. 그 밖의 형상, 예를 들면 삼각형, 다각형, 딤플(dimple)형 등도 적절히 사용할 수 있다. 또한, 삽입물(20)은 솔리드 불 플러그(solid bull plug; 도 6)로서 구성될 수도 있다.
밀봉 시스템(41)은 드럼형 용기(도 7)에 설치할 수 있다. 삽입물의 한 가지 바람직한 실시 형태가 도 7에 도시되어 있다. 삽입물(50)은 스템(51), 삽입물 나사부(52), 삽입물 밀봉면(53), 캡 조립체(55), 상단 캡 조립체(57), 외측 나사부(58) 및 링(54)을 포함한다. 링(54)은 외측 나사부(58) 및 이 외측 나사부(58) 내로 나사 끼워맞춤되는 캡 조립체(55)에 의해 형성된 공동 내에 배치된다. 캡 조립체(55)는 상단 캡 조립체(55)를 나사식으로 수용한다. 스템(51)은 용기와 캡 조립체 및/또는 상단 캡 조립체 사이의 연통을 가능하게 하는 중공관이다. 삽입물 나사부(52)는 용기 상의 포트 내의 나사부와 맞물리는 데에 이용할 수 있다.
본 발명에서 고려하고 있는 용기는 액체 저장용으로 사용하는 것이 바람직하다. 액체는 추후 사용을 위해 저장하거나, 유체 출입이 가능한 기구로 저장할 수 있다. 따라서, 예컨대 불 플러그와 용기 내의 포트 사이에, 또는 분배용 헤드와포트 사이에 본 발명의 밀봉을 사용할 수 있다. 본 발명의 한 가지 실시 형태는 철도, 트럭 또는 그 밖의 차량에 의한 수송을 위해 유체를 저장하는 것이다. 그러나, 액체에는 액체로 채워지지 않은 폐쇄된 용기의 임의 부분에 존재하는 증기상이 있기 때문에, 용기로부터 유체가 방출되는 것을 방지하기 위해서는 그러한 증기상을 수용해야 한다. 용기에 사용하기 바람직한 재료는 폴리에틸렌이며, 특히 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이다. 드럼과 같은 HDPE 용기는 주로 HDPE의 단일 연속편으로 이루어지는 것이 전형적이다.
포트는 용기의 일부인 것이 바람직하고, 용기와 동일한 재료로 제조되는 것이 바람직하며, 고밀도 폴리에틸렌인 것이 바람직하다. 용기와 포트에는 그 밖의 재료도 적절한데, 예를 들면 플루오로카본, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리올레핀, 그리고 당업계에 알려져 있는 그 밖의 재료가 있다. 포트는 삽입물과 더 양호하게 맞물리도록 나사가 형성되는 것이 바람직하다. 나사부는 삽입물과 맞물리기 위해 필요한 대로 포트의 내측부나 외측부에 형성될 수 있다.
본 명세서에서 "포트"라는 용어는 용기 내부로 통하는 개구를 뜻하는 용어로 폭넓게 사용하는 용어이다. 포트는 개구를 의미할 뿐만 아니라, 개구를 둘러싸서 개구를 형성하며 삽입물 및/또는 밀봉 링을 통한 포트의 조작과 연관되어 있는 재료도 의미한다. 따라서, 포트는 용기와 일체로 성형되거나, 별도 부품이거나, 다중 부품을 포함하거나, 이들의 조합일 수 있다. 포트는 밀봉 링 및 삽입물과 협동하여 밀봉을 생성하는 부품을 포함한다. 포트는 밀봉 링에 대해 밀봉되도록 구성된 밀봉면을 구비한다. 이 밀봉면은 포트의 주요부 내로 일체 성형되거나, 포트의 일부인 별도의 부품일 수 있다.
삽입물은 엔지니어링 플라스틱, 바람직하게는 고밀도 폴이에틸렌으로 제조된다. 삽입물에는 그 밖의 재료도 적합한데, 예를 들면 플루오로카본, 폴리카보네이트, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리올레핀을 함유하는 재료와, 당업계에 알려져 있는 그 밖의 재료가 있다. 삽입물은 포트와 더 양호하게 맞물리기 위해 나사가 형성되는 것이 바람직하다. 나사부는 삽입물이 맞물리게 하기 위해 필요한 대로 삽입물의 내측부나 외측부에 형성될 수 있다. 삽입물은 포트 내부에 끼워맞춤되거나, 포트 내부와 끼워맞춤되는 부분을 구비하거나, 포트의 상부에 끼워맞춤될 수 있다. 삽입물은 밀봉 부재와 밀봉되는 밀봉면을 구비한다. 이 밀봉면은 삽입물에 통합되거나, 삽입물과 함께 사용되는 부품, 예컨대 와셔이거나, 삽입물의 잔부와 협동하는 부재이거나, 당업계에 알려져 있는 그 밖의 밀봉면일 수 있다. 본 명세서에서 "삽입물"이란 용어는, 포트 및 밀봉 링과 협동하여 밀봉을 형성하는 기구 및 기구의 부분들을 포함하여 폭넓게 사용된다. 삽입물은 단일의 일체형 부품이거나 몇 개의 부품으로 이루어질 수 있다.
밀봉 링은, 가요성 및 탄성이 있고, 미량 금속 및/또는 여과성 금속이 소량만 함유되어 있으며, 임계 유체 및 부식성 유체, 예컨대 강산 및 강염기에 의한 화학적 침습에 내성이 있는 단일 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 적합한 재료에는 폴리올레핀 엘라스토머, 예컨대 미국 특허 제5,721,185호 및 유럽 특허 제0416815호(이들 특허의 내용을 본 명세서에 참고로 인용함)에 개시되어 있는DUPONT-DOWTM사 제조의 폴리올레핀 엘라스토머 ENGAGETM가 있다. 폴리올레핀 엘라스토머는 ASTM 쇼어 A 경도 시험으로 측정했을 때의 쇼어 A 듀로미터가 약 70-95인 것이 바람직하고, 약 75-90인 것이 더욱 바람직하며, 약 90인 것이 보다 더 바람직하다.
밀봉 링은 전체 체적에 걸쳐 화학적 조성이 일정하도록 단일 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 이 재료는 몇 가지 성분, 예컨대 둘 이상의 폴리머의 배합물로 균일하게 제조될 수 있다. 밀봉 링의 한 가지 실시 형태는 중공 링이다. 또 다른 실시 형태에는, 포움 기법으로 가공된 ENGAGETM와 같은 포움 재료를 사용하여 밀봉 재료의 탄성 및 물리적 특성을 강화시키는 것이 포함되며, 예컨대 미국 특허 제5,369,136호(이 특허의 내용을 본 명세서에 참고로 인용함)를 참조하기 바란다.
선택적으로, 밀봉 링은 코어 위로 분사되거나 기타 방식으로 얇게 도포되어 두께가 약 10 mm 미만, 바람직하게는 1 mm 미만의 층으로 형성되는 외부 스킨을 구비할 수도 있다. 이 외부 스킨은 캡슐화 이중 재료 O링과는 다른데, 왜냐하면 외부 스킨이 더 얇고 밀봉 링의 코어와 동일한 재료로 이루어졌기 때문이다.
본 명세서에서 "밀봉 링"이란 용어는, 유체 흐름을 방지하기 위해 고체면에 대해 밀봉을 형성하는 고체부가 있는 기구를 의미하는 것으로 폭넓게 사용된다. 밀봉 링에 대한 시험으로서, 밀봉 링과 포트 및 삽입물을 조립하고, 3 psi의 공기를 5분간 누설 없이 수용할 수 있는가는 결정한다. 밀봉 링은 임의의 구체적인 기하학적 형상에 한정되지 않지만, 예를 들면 도우넛 형상, 가스켓 형상, 둥근 형상,토로이드(toroid) 형상, 모든 지점에서 굴곡진 형상, 엣지가 있는 형상, 평탄면 형상, 횡단면을 보았을 때 다각형 프로파일이 있는 형상, 정사각형 프로파일 형상, 그리고 밀봉 링의 조작에 적합한 그 밖의 형상일 수 있다.
밀봉 링은, 바람직하게는 질산 분해 시험에서 측정했을 때의 전체 미량 금속 수준이 5000 백만당부(ppm) 미만인, 더욱 바람직하게는 1000 ppm 미만인, 가장 바람직하게는 500 ppm 미만인 재료로 제조된다. 본 명세서 후반의 "시험" 부분에 예들이 기재되어 있다. DUPONT DOWTM폴리올레핀 엘라스토머 ENGAGETM는 밀봉 링, 예컨대 ENGAGETM8401에 적합한 재료이다. 본 명세서에서 폴리올레핀 엘라스토머라는 용어는 폴리올레핀의 코폴리머를 포함하고, 에틸렌 및 옥텐의 엘라스토메릭 코폴리머를 포함한다.
밀봉 링은, 사용 전에 길이 방향 단면이 중간이 비어 있는 영(0)자 형상이고, 횡방향 단면 프로파일은 중실의 원 형상인 도우넛 형상인 것이 바람직하다. 대안으로서, 밀봉 링은 횡방향 단면이 임의 종류의 다각형 또는 타원 또는 원이거나, 다각형 및/또는 타원 및/또는 원의 조합인 형상일 수 있다. 또한, 밀봉 링은 길이 방향 단면이 임의 종류의 다각형 또는 타원 또는 원이거나, 다각형 및/또는 타원 및/또는 원의 조합인 형상일 수도 있다.
드럼에 개구를 생성하고, 그 개구에 삽입물과 맞물리기 위한 나사부 또는 그 밖의 패스너 또는 파지 수단을 장착함으로써, 드럼과 같은 용기 내에 포트를 생성하여 밀봉 시스템을 용기 상에 설치한다. 포트는 밀봉 링과 밀봉되기 위한 포트밀봉면을 구비한다. 밀봉 링은 포트 내에 배치되거나 삽입물 상에 배치되며, 또는 영구 부품으로서 포트 또는 삽입물에 합체된다. 삽입물 또는 포트 상의 나사부 또는 패스너 또는 파지 수단이 맞물리도록 삽입물이 포트 내에 배치된다. 밀봉 링이 그 밀봉 링과 포트 밀봉면 및 삽입물 밀봉면 사이를 밀봉하도록 삽입물이 배치된다.
한 가지 바람직한 실시 형태에서, 밀봉 시스템은 도우넛 형상의 밀봉 링을 포함하며, 이 밀봉 링의 외측면은 내부가 부분적으로 도우넛의 내경에 의해 형성되고, 외부는 부분적으로 도우넛의 외경에 의해 형성된다. 사용 시에, 도우넛의 내부는 삽입물에 대해 밀봉되고 외부는 포트에 대해 밀봉된다.
본 발명은 포트, 삽입물 및 밀봉 링의 제조 방법을 포함하며, 그 제조 방법에는 성형, 블로우 성형, 압출, 그리고 당업계에 알려져 있는 그 밖의 기법이 있다.
본 발명은 반도체 제작 설비에서 임계 유체를 수용하기 위해 사용되는 용기를 밀봉하는 방법을 포함한다. 그러한 설비는, 오염 없이 안전하고 신뢰성 있게 저장 및 분배되어야 하는 강산 및 강염기를 다량 사용한다. 임계 유체로는 황산, 염산, 불화수소산, 테트라메틸 수산화암모늄(TMAH), 수산화암모늄, 과산화수소, 인산, n-메틸 피리딘(nMP), 그리고 이소프로필 알코올(IPA)이 있다. 본 명세서에서 사용된 "임계" 유체라는 용어는 "임계점"의 개념과 관련하여 정의되는 것이 아니라 용어 "부식성" 내에 포함되는 것이다. 본 명세서에서 "유체"라 함은 액체 및/또는 기체 및/또는 증기를 의미한다.
본 발명의 또 다른 양태는, 임계 유체 용도의 저장 및 이송용 밀봉 시스템을 황산, 염산, 불화수소산, 테트라메틸 수산화암모늄(TMAH), 수산화암모늄, 과산화수소, 인산, n-메틸 피리딘(nMP) 및/또는 이소프로필 알코올(IPA)을 포함하는 임계 유체가 있는 반도체 제작 설비 및 그 밖의 설비 내에서 사용하는 것이다. 임계 유체를 수용하는 내식성 드럼 내에 밀봉 시스템을 마련하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양태는 또 다른 재료층으로 피복된 밀봉 링에 관한 것이다. 이 밀봉 링은 전술한 기능, 예컨대 압력 유지 기능을 계속 수행하지만, 별도의 재료로 피복되어 있다. 이 별도의 재료는 밀봉 링의 내식성, 쉘 수명, 내마노성 또는 그 밖의 사용 또는 성능 측면을 향상시키는 플라스틱일 수 있다. 본 발명은 종래 기술의 이중 재료 캡슐화 O링과 구별되는데, 왜냐하면 종래의 O링은 특정 기능을 수행하기 위해 2종의 재료가 필요하기 때문이다. 이에 반하여, 본 발명의 이 실시 형태는 단일 재료와, 기능을 향상시키는 제2 재료로 이루어진 기능적인 밀봉 링을 제공한다.
시험 및 실시예
수지를 검사하여 미량 금속과 관련된 청정도 수준을 결정하였다(표 1). 중량이 동일한 샘플들을 완전해 용해시켜 각 수지 중의 전체 금속 함량을 측정하였다(ENTEGRISTN절차 FGTM 1343에 대해). 4종의 재료, 즉 DOWTM저밀도 폴리에틸렌(LDPE), EQUISTARTMLDPE, ENGAGETM폴리올레핀, 그리고 에틸 비닐 아세테이트(EVA)를 선택하여, 이들 결과에 기초한 추가 시험을 행하였다.
| 재료 | 재료 등급 | 전체 미량 금속 수준(ppm) |
| DOWTM저밀도 폴리에틸렌 | 779 I | 309 |
| NOVATM저밀도 폴리에틸렌 | NOVAPOLTMGI-20240-A | 514 |
| EQUISTARTM저밀도 폴리에틸렌 | PETROTHENETMNA 204-000 | 281 |
| DOWTMENGAGETM폴리올레핀 엘라스토머 | 121-75-M100 | 5615 |
| SANTOPRENETM폴리올레핀 엘라스토머 | 121-75-M100 | 5615 |
| 에틸 비닐 아세테이트 | ELVAXTM650 | 426 |
| VITONTM헥사플루오로프로필렌코폴리머 | A-241 | 12,646 |
이들 4종의 재료를 고밀도 폴리에틸렌 플라스틱 드럼에 사용할 수 있는 표준 크기의 O링 내로 성형하고, 크기와 치수가 동일한(외경 3.0 인치, 내경 2-5/8 인치, 반경 방형 두께 3/16 인치) 시판 중인 표준 크기의 O링으로 전체 금속 성분을 시험하였다. 또한, 예컨대 REAL SEALTM제조의 부품 번호 REAL SEALTM-334를 참조하기 바란다(표 2). 5%의 초순도 질산 중의 공간에서 7일간 이들 O링으로부터 여과된 금속의 양을 측정하여 이들 O링의 미량 금속 성분을 시험하였다(표 2 참조). 그 결과, 이들 4종의 재료가 캡슐화 이중 재료 O링에 비해 양호한 것으로 판명되었다.
| 재료 | 부품 번호/재료 등급* | 전체 미량 금속(ppb) |
| ENTEGRISTMEPDM | ENTEGRISTM부품 번호1620-334 | 61.5 |
| ENTEGRISTMVITON | ENTEGRISTM부품 번호1261-334 | 80.0 |
| ENTEGRISTM플루오로폴리머 캡슐화이중 재료 O링 | ENTEGRISTM부품 번호1261-334 | 2.7 |
| DOWTM저밀도 폴리에틸렌 | 재료 등급 779I | 3.3 |
| EQUISTARTM저밀도 폴리에틸렌 | PETROTHENETMNA-204-000 | 2.5 |
| DOWTMENGAGETM폴리올레핀 | 재료 등급 8200 | 2.5 |
| 에틸 비닐 아세테이트 | 재료 등급 650Q | 4.5 |
* ENTEGRISTM카탈로그는 2001년 1월부로 공개되었음.
이들 4종의 재료가, 캡슐화 이중 재료 O링을 대체하려는 밀봉 시스템에 사용하기에 적합한지 여부를 결정하기 위한 추가 시험이 필요하였다. 표 3에는, 이들 재료가 누설 없는 유효한 밀봉을 형성할 수 있는가를 결정하기 위해 이용된 정수학적 시험의 결과가 기재되어 있다. 이 정수학적 시험에서는, ENTEGRISTM고밀도 폴리에틸렌 드럼 부품 번호 01-004404에 사용된 경우와 동일한 나사식 포트에 O링을 부착하고 나사식 플러그 ENTEGRISTM부품 번호 151-131R로 밀봉하였다. 이 밀봉에 대해 물을 사용하여 25 psi의 압력까지 시험하였다.
| 재료 | 부품 번호/재료 등급 | 시험 결과 |
| DOWTM저밀도 폴리에틸렌 | 재료 등급 779I | 1/6 누설 |
| EQUISTARTM저밀도 폴리에틸렌 | PETROTHENETMNA-204-000 | 0/6 누설 |
| DOWTMENGAGETM폴리올레핀 | 재료 등급 8402 | 0/6 누설 |
| 에틸 비닐 아세테이트 | ELVAX 650Q | 1/6 누설 |
표 3에 요약되어 있는 결과로부터, 정수학적 시험을 통과한 재료 중에 ENGAGETM재료가 탄성 및 가요성을 포함하여 물리적 특성이 가장 좋은 재료로 판명되었다. EQUISTARTM저밀도 폴리에틸렌은 캡슐화 이중 재료 O링의 대안이지만, 물리적 특성이 ENGAGETM재료보다 열등하였다.
표 4에 요약되어 있는 바와 같이, 일정 범위의 ENGAGETM폴리올레핀으로 추가적인 정수학적 시험을 행하였다. 별 다른 언급이 없다면 이 시험은 표 3에 기재된 것과 동일하다. ENGAGETM등급 1 재료가 정수학적 시험의 관점에서는 가장 우수하였지만, 취급/조립의 관점에서는 사용하기 어려웠다. 또 다른 어려움으로는, 플라스틱 삽입물에 부착되려는 경향이 있어서 O링을 삽입물 위로 활주시키기 위해서는 활석 분말이 필요한 점과, 제한된 가요성으로 인하여 삽입물 상에서 O릴을 가공하는 데에 더 많은 시간이 필요한 점이 있었다. ENGAGETM2 등급 재료가 취급 특성이 가장 좋았지만 정수학적 시험에서는 비효율적이었다.
| 재료 | 재료 등급 | 시험 결과불합격/시도 |
| ENGAGETM등급 1 | 8402 | 0/6 |
| ENGAGETM등급 2* | 8401 | 7/12 |
| ENGAGETM등급 3 | 8407 | 2/12 |
* 이 재료를 12회의 시도에서 불합격하지 않은 크기가 더 큰 O링에서 재시험하였다.
본 발명자들은, O링의 크기를 변경하고 ENGAGETM8401 등급 2 재료를 사용함으로써 이 문제를 해결하였다. 표준 크기의 O링을 사용하는 대신, 내경이 더 작은 O링 형상의 밀봉 링을 만들었다. 상업적 사용의 편의를 위해, 시판 중인 캡슐화 이중 재료 O링과 동일한 크가와 형상을 채택하였다. 이 밀봉 링은 효율적으로 작동하는 것으로 판명되었으며, 6개의 샘플 각각에 대한 2회의 시험에서 누설이 발생하지 않았다. 밀봉 링의 내경은 2.545±0.020 인치, 단면 직경은 0.235±0.010 인치였다.
본 발명의 밀봉 시스템을 다양한 화학 물질에 노출시켜 내식성을 시험하였다(표 5). ENGAGETM등급 2 재료로 밀봉 링을 제작하여, 일체 성형된 나사식 포트가 있는 ENTEGRISTM고밀도 폴리에틸렌 드럼 내로 끼워맞춤된 ENTEGRISTM나사식 삽입물(불 플러그 부품 번호 151-131R) 상에 설치하였다(도 1, 도 6 및 도 7 참조). 밀봉 시스템을 드럼으로부터 절단하여, 표 5에 기재되어 있는 다양한 화학물질이 있는 밀봉 용기 내에 배치하였다. 밀봉 시스템을 화학 물질 및 화학 물질로부터의 증기에 직접 노출시켰다. 3개월 동안 용기를 감시하였다. 3개월 후에 밀봉 링의 듀로미터와 중량을 측정하여, 화학 물질에 노출되지 않은 기준예와 비교하였다. 질산에 노출된 밀봉 링을 제외하면, 밀봉 링의 직경이나 중량에 사실상 변화가 검출되지 않았다(표 5 참조). 그러나, 밀봉 링이 질산에서 불합격한 것은, 밀봉 링을 본 발명자가 고려하고 있는 임계 유체에 사용하는 데에 장애가 되지 않는다. 표 5에 기재되어 있는 그 밖의 데이터는 공개 문헌에서 발췌한 것이며 새로운 시험을 반영하지 않는다.
| 화학 물질 | EPDM | VITONTM | TEFLONTM캡슐화 이중 재료O링 | 밀봉 링 |
| 황산 | 아니오 | 예 | 예 | 예 |
| 질산 | 아니오 | 예 | 예 | 아니오 |
| 염산 | 아니오 | 예 | 예 | 예 |
| 불화수소산 | 아니오 | 예 | 예 | 예 |
| 테트라메틸수산화암모늄(TMAH) | 예 | 아니오 | 예 | 예 |
| 수산화암모늄 | 예 | 아니오 | 예 | 예 |
| 과산화수소 | 예 | 예 | 예 | 예 |
| 인산 | 예 | 예 | 예 | 예 |
| n-메틸 피리딘(nMP) | 예 | 아니오 | 예 | 예 |
| 이소프로필 알코올(IPA) | 예 | 예 | 예 | 예 |
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 실시 형태들과 실시예들은 본 발명의 예일 뿐이며 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니다. 당업자에게라면 본 명세서를 읽은 후에 본 발명의 많은 변형 실시 형태가 자명해질 것이다.
Claims (14)
- 황산, 염산, 불화수소산, 테트라메틸 수산화암모늄, 수산화암모늄, 과산화수소, 인산, n-메틸 피리딘, 이소프로필 알코올, 이들의 혼합물, 그리고 이들과 그 밖의 유체와의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유체를 수용하며 용량이 적어도 약 30 갤론인 폴리에틸렌제 용기와;상기 용기 상의 포트와;상기 포트와 기계적으로 맞물릴 수 있는 삽입물과;내식성이 있고, 상기 용기의 내용물에 대해 사실상 불투과성이며, 쇼어 A 경도가 약 75 내지 약 95인 재료를 포함하고, 질산중 분해에 의해 측정한 전체 미량 금속이 1000 ppm 미만이며, 상기 포트 상의 제1 밀봉면에 대해 밀봉되고 상기 삽입물 상의 제2 밀봉면에 대해 밀봉되는 외측부를 구비하는 탄성 밀봉 요소를 포함하고,상기 포트와 삽입물 및 밀봉 요소가 협동하여 상기 밀봉 요소와 제1 및 제2 밀봉면 사이에 적어도 3 psi의 공기를 적어도 5분 동안 수용하도록 구성된 밀봉을 형성하는 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 밀봉 요소 재료는 쇼어 A 경도가 약 75 내지 약 95인 단일 재료를 주성분으로 하는 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 밀봉 요소는 상기 밀봉 요소 재료의 단일 연속편으로 대부분 이루어진 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 밀봉 요소 재료는 폴리올레핀인 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 밀봉 요소 재료는 ENGAGETM인 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 밀봉 요소는 외측부인 표면이 있는 층 아래에 위치하는 코어를 포함하고, 상기 층과 코어는 모두 상기 밀봉 요소 재료로 이루어진 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 밀봉 요소 재료는 폴리올레핀인 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 밀봉 요소 재료는 ENGAGETM인 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 밀봉 요소 재료는 포움인 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 밀봉 요소는 중공형인 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 용기와 포트는 폴리에틸렌으로 이루어지고, 상기 포트는 상기 삽입물이 조여지도록 상기 삽입물과 나사식으로 맞물려서 상기 밀봉 요소와 상기 제1 및 제2 밀봉면 사이를 밀봉하는 것인 임계 유체 수용 시스템.
- 황산, 염산, 불화수소산, 테트라메틸 수산화암모늄, 수산화암모늄, 과산화수소, 인산, n-메틸 피리딘, 이소프로필 알코올, 이들의 혼합물, 그리고 이들과 그 밖의 유체와의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 임계 유체를 수용하며 용량이 적어도 약 30 갤론인 폴리에틸렌제 용기 상에 포트를 마련하는 단계와;내식성이 있고, 상기 용기의 내용물에 대해 사실상 불투과성이며, 쇼어 A 경도가 약 75 내지 약 95인 재료를 포함하고, 질산중 분해에 의해 측정한 전체 미량 금속이 1000 ppm 미만이며, 상기 포트 상의 제1 밀봉면에 대해 밀봉되고 상기 삽입물 상의 제2 밀봉면에 대해 밀봉되는 외측부를 구비하는 탄성 밀봉 요소를 마련하는 단계와;삽입물로 상기 포트와 밀봉 요소가 기계적으로 맞물리게 해서 상기 밀봉 요소를 압박하여, 상기 밀봉 요소와 제1 및 제2 밀봉면 사이에 적어도 3 psi의 공기를 적어도 5분 동안 수용하도록 구성된 밀봉을 형성하는 단계를 포함하는 임계 유체 수용 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 밀봉 요소 재료는 쇼어 A 경도가 약 75 내지 약 90인 단일 재료를 주성분으로 하는 것인 임계 유체 수용 방법.
- 황산, 염산, 불화수소산, 테트라메틸 수산화암모늄, 수산화암모늄, 과산화수소, 인산, n-메틸 피리딘, 이소프로필 알코올, 이들의 혼합물, 그리고 이들과 그 밖의 유체와의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 유체를 적어도 30 갤론 수용하기 위한 폴리에틸렌 수용 수단과;상기 용기로부터 유체를 출입시키기 위한 수단과;상기 유체 출입 수단과 맞물릴 수 있는 삽입 수단과;상기 삽입 수단 및 유체 출입 수단과 협동하며, 내식성이 있고, 상기 용기의 내용물에 대해 사실상 불투과성이며, 쇼어 A 경도가 약 75 내지 약 95이고, 질산중 분해에 의해 측정한 전체 미량 금속이 1000 ppm 미만이며, 적어도 3 psi의 공기를 적어도 5분 동안 수용하도록 구성된 밀봉 수단을 포함하는 임계 유체 수용 시스템.
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