KR20090096696A - 고압 송출 시스템을 위한 고장 안전 진공 작동식 밸브 - Google Patents

고압 송출 시스템을 위한 고장 안전 진공 작동식 밸브 Download PDF

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스콧 로렌스 쿠퍼
로이드 안토니 브라운
더글라스 챨스 헤더만
브라이언 마이클 메레디쓰
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프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 고장 안전 진공 작동식 밸브를 포함한 고압 저장 및 송출 시스템을 제공한다. 특히, 진공 작동식 체크 밸브의 혁신적인 설계를 통해, 시스템은 유사한 크기의 실린더에서의 생성물 체적의 3배까지 수용할 수 있다.
고압 송출 시스템, 진공 작동식 밸브, 벨로우즈, 가압 유체, 시효 경화된 합금강

Description

고압 송출 시스템을 위한 고장 안전 진공 작동식 밸브{FAIL-SAFE VACUUM ACTUATED VALVE FOR HIGH PRESSURE DELIVERY SYSTEMS}
본 발명은 가압 실린더 또는 탱크와 같은 용기로부터 유해한 유체 방출을 방지하기 위한 고장 안전 진공 작동식 밸브를 구비하는 고압 저장 및 송출 시스템에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 송출 시스템 내부에서 고 체적의 생성물을 수용하고 밸브의 하류 측 상에서 사전결정된 진공 조건의 적용시 생성물을 분배하기 위해 설계된 고장 안전 밸브에 관한 것이다.
산업 처리 및 제조 분야는 높은 독성 유체의 사용을 필요로 한다. 이러한 높은 독성 수소화 또는 할로겐화 기체의 안전한 저장 및 취급이 필요한 분야로서 반도체 재료의 제조가 대표적이다. 이러한 기체의 예로는 실란, 게르만, 암모니아, 포스핀, 아르신, 스티빈, 황화수소, 셀레늄화수소, 텔루르화수소, 삼불화인, 오불화비소 및 다른 할로겐화 화합물이 포함된다. 독성 및 안전성을 고려하여, 이들 기체들은 산업 처리 시설에서 조심스럽게 저장되고 취급되어야 한다. 반도체 산업은 특히 이온 주입에 있어 비소(As), 인(P), 붕소(B) 및 규소(Si)의 소스로서 아르신(AsH3) 및 포스핀(PH3)의 기체상 수소화물, 삼불화붕소(BF3), 사불화규소에 의존한다. 이온 주입 시스템은 통상 송출 용기 내부에서 800 psig (5,617.1 kPa)만큼 높은 압력에서 저장된 AsH3와 PH3의 묽은 혼합물과, 1500 psig (10,443.5 kPa)만큼 높은 압력에서 저장된 BF3 및 SiF4와 같은 순수한 기체들을 사용한다. 이들의 매우 높은 독성 및 높은 증기압 때문에, 반도체 산업에서 이들의 사용, 운송 및 저장은 상당한 안전성 우려를 일으킨다.
다양한 안전성 우려를 해소하기 위해서, 이들 수소화 및 할로겐화 화합물을 대기 중보다 낮은 조건에서 이온 주입 장치로 송출하기 위한 다수의 시스템이 개발되었다. 예를 들어, 에이티엠아이, 인크.(ATMI, Inc.)에 의해 시판되는 SDS(상표명)으로 알려진 화학 시스템은, 압축 기체 실린더에 물리적 흡착재(비드형 활성 탄소)를 충전하고, 재료 상에 도판트 기체를 가역적으로 흡착시키는 것을 수반한다. 탈착 공정은 흡착재/실린더에 진공 또는 열을 가하는 것을 수반한다. 실제로, 이온 주입기로부터의 진공은 고상 흡착제로부터 기체를 탈착하는 데 사용된다. SDS 기술과 연관된 특정한 제한이 있으며, 이하와 같다: 1) 흡착재는 제한된 적재 용량을 가지므로 주어진 크기의 실린더 내에서 이용가능한 생성물의 양이 제한되고, 2) 탈착 공정은 실린더 패키지를 열에 노출시켜 시작됨으로써, 실린더는 다수의 실린더 저장소 지점 및 이온 주입 장치 내부에서 통상적인, 70℉ 초과의 온도에 노출되는 경우에 실린더는 대기압 및 대기 중보다 낮은 압력으로 기체를 도달 및 송출하게 할 수 있고, 3) 실린더로부터 송출된 기체의 순도는 흡착재 상에서 다른 재료/기체의 흡착/탈착으로 인하여 저하될 수 있고, 4) 실린더 이용 비율은 패키지에 가 해진 진공 깊이에 의해 크게 영향을 받으며, 즉 실린더는 종종 패키지 내부에 남겨진 상당한 생성물과 함께 회수되며, 5) 흡착제 마모는 기체 송출 시스템 내에 미립자 오염을 야기할 수 있다.
별도로, 도판트 기체를 대기 중보다 낮은 조건에서 송출하기 위한 다수의 기계적 시스템이 개발되었다. 일부는 압력 조절기의 사용을 수반하지만, 다른 것은 생성물을 대기 중보다 낮은 조건으로 제어 및 송출하는 밸브 장치들이 필요하다. 이들 장치들은 대기 중보다 낮은 조건 또는 진공 조건이 실린더의 송출 포트에 가해질 때, 송출하거나 또는 개방하도록 설정된다. 이들 장치의 정확한 지점은 포트 본체 내부, 넥 공동 내부, 실린더 자체의 내부이거나, 또는 이들 모든 세 지점의 조합일 수 있다. 각 경우에, 압력 조절기 또는 밸브 장치는 실린더의 내부로부터 송출 포트로의 기체 흐름에 대해 실린더 밸브 시트의 상류에 위치한다.
미국 특허 제6,089,027호 및 제6,101,816호는 모두 원하는 압력으로 유지하기 위한 용기를 포함하는 유체 저장 및 분배 시스템과 관련된다. 용기는 압력 조절기 예를 들어, 단일 단계 또는 다단계 조절기를 포함하며, 용기의 포트와 관련되는 사전결정된 압력으로 설정된다. 예를 들어, 밸브와 같은 유동 제어 수단을 포함한 분배 조립체가 조절기와 기체/증기 유동 연통하도록 배열되어, 밸브의 개방은 용기로부터 기체/증기의 분배를 일으킨다. 용기 중의 유체는 용기 내부에서 일반적인 온도 조건 예를 들어, 주변 (실내) 온도에서 유체의 액화 압력 초과의 압력으로 감금되는 액체에 의해 구성될 수 있다.
미국 특허 제6,857,447 B2호는 소스 용기가 20 내지 2,000 psig (239.2 내지 13,890.8 kPa) 범위의 압력에서 기체를 함유하는 기체 분배 조립체를 개시한다. 이 장치는 유체 배출 경로를 따라 연속하는 2개의 압력 조절기들의 도입을 수용하기 위해 통상적인 것보다 더 큰 넥 공급부를 구비한 고압 기체 실린더를 필요로 한다. 입구 기체 측상의 제1 조절기는 압력을 1,000 psig (6,996.1 kPa) (또는 동시에 용기 내부의 실제 압력)로부터 100 psig (790.8 kPa)까지 떨어뜨리지만, 제2 조절기는 100 psig (790.8 kPa)로부터 대기 중보다 낮은 압력으로 떨어뜨린다.
미국 특허 제5,937,895호는 가압 실린더 또는 탱크로부터 유해한 유체의 배출을 방지하기 위해 실질적으로 고장 안전 시스템을 제공하는 유동 제한 배열 및 분배 밸브를 구비한 유체 저장 및 분배 용기에 관한 것이다. 미국 특허 제 6,007,609호 및 제6,045,115호는 만약 분배 밸브가 고장 나는 경우에 압축된 기체 실린더로부터 독성 기체의 임의의 배출을 최소화하는 모세관 크기의 개구부들을 구비하며, 유체 유동 경로를 따라 배치되는 유동 제한 장치들을 개시한다. 이들 후자의 3개의 문헌들의 개시는 벨로우즈(bellows) 챔버가 밸브를 통한 기체의 유동에 대하여 밸브 시트의 하류에 배치되는 대기 중보다 낮은 조건의 송출 시스템을 제공한다.
종래 기술의 저장 및 송출 시스템과 관련된 결점은 600 psig (4,238.2 kPa) 초과의 실린더 충전 압력을 취급할 수 없거나, 또는 그렇지 않으면 연속적인 2개의 장치를 필요로 한다는 점이다. 예를 들어, 아르신 및 포스핀 실린더 패키지들이 액화 유체로 충전되는 동안에, 이들 유체의 내부 압력은 70℉에서 통상 약 205 psig (1,514.7 kPa) 내지 약 580 psig (4,100.3 kPa) 범위인 이들 각각의 증기압으 로 제한된다. 그러나, 삼불화붕소와 같은 유체와 사불화규소 유체는 기상 생성물로서 충전되며, 필요한 실린더 충전 압력은 600 psig (4,238.2 kPa) 이상이다. 구체적으로, 종래 기술의 시스템은 벨로우즈로부터의 불충분한 추력으로 인해 600 psig (4,238.2 kPa) 초과의 실린더 압력에서 작동할 수 없다.
현존 시스템의 다른 단점은 더 높은 용량의 유체 생성물을 수용할 수 없기 때문에, 실린더 패키지의 빈번한 교체가 필요하다는 점이다. 또한, 이것은 반도체 제조업자에게 생성물 실린더의 빈번한 제거 교환 및 정지 시간의 증가를 초래한다.
또한, 분배 체크 밸브를 이용한 현존 시스템은 잔여 응력을 제거하기 위하여 밸브의 조립 이전에 벨로우즈의 컨디셔닝 처리가 반드시 이루어지는 것이 필요하다. 특히, 분배 밸브는 광범위하게 상승된 온도 및 압력 상황을 통해 질소 기체로 순환된다. 따라서, 스테인레스강 벨로우즈는 컨디셔닝 공정 동안 열과 압력 극단에 노출된다.
종래 기술의 단점을 극복하기 위해서, 본 발명의 목적은 600 psig (4,238.2 kPa) 초과의 압력에서 유체를 저장하며, 유체를 기체상 및/또는 부분 기체상/액화상에서 저장 및 송출하기 위한 시스템을 제공하는 것이다. 특히, 분배 밸브는 충전된 벨로우즈 챔버를 포함하고, 벨로우즈는 실린더/탱크 내부의 압력을 극복하기에 적합한 축방향 추력(axial thrust force)을 제공하는 재료로 제조된다.
본 발명의 다른 목적은 포트 본체를 포함한 실린더/탱크 또는 실린더 밸브 헤드의 치수를 변화시키지 않고 실린더/탱크의 용량을 증가시키는 것이다. 이와 같이, 더 많은 체적의 기체가 실린더/탱크 내에 수용될 수 있다. 결과적으로, 고 객의 공정 다양성의 감소 및 생산성의 증가가 달성된다. 더욱이, 실린더/탱크 제거 교체가 줄어들어, 반도체 제조 장치의 정지 시간을 감소시킴으로써, 경제 및 안전상 이득이 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 노동 집약적 공정인 밸브의 컨디셔닝을 배제하는 것이다.
본 발명의 다른 목적들 및 양태들은 첨부된 명세서, 도면 및 청구의 범위를 재고하여 당업자에게 명백해질 것이다.
본 발명의 양태에 따르면, 수소화 또는 할로겐화 화합물을 함유하는 가압 탱크의 출구로부터 가압 유체의 배출을 제어하기 위한 시스템이 제공된다. 이 장치는
기체상 또는 부분 기체상의 가압 유체를 보유하기 위한 탱크와,
유체 배출 경로를 형성하는 가압 탱크의 출구와 연통하기 위한 포트 본체와,
포트 본체 내에 또는 포트 본체 상류에 고정되고, 유체 배출 경로를 통한 유체 유동을 차단하는 밀봉 위치와 유체 경로에 따른 유동을 허용하는 개방 위치 사이에서 이동하도록 구성되는 밸브 요소와,
밸브 요소의 하류에서 하우징의 내부에 배치되는 벨로우즈 챔버를 포함하며,
벨로우즈 챔버는 약 14.7 psia (101.3 kPa) 내지 약 50 psia (344.7 kPa) 범위의 압력으로 충전 및 밀봉되고, 벨로우즈는 시효 경화된 합금강, 시효 경화된 니켈계 합금 및 구리 베릴륨 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 재료로 제조되고, 벨로우즈 챔버는 배출 경로와의 연통이 하우징 내부에 진공 조건을 형성할 때 개방 위치로 밸브 요소를 이동시키도록 밸브 요소의 하류에서 유체 배출 경로의 일부와 연통한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 가압 유체를 함유하고 실린더로부터 가압 유체의 배출을 제어하기 위한 실린더 및 밸브 조립체가 제공된다. 실린더 및 밸브 조립체는
실린더 개구부를 갖는 실린더와,
실린더 개구부와의 밀봉 결합을 위한 포트 본체를 갖는 실린더 밸브와,
포트 본체에 의해 형성되고 실린더 내부에 위치되는 유체 입구 포트와,
포트 본체에 의해 형성되고 실린더 외부에 위치되는 유체 출구 포트와,
유체 입구 포트와 유체 출구 포트 사이에서 포트 본체에 의해 형성되는 유체 배출 경로와,
유체 배출 경로에 따른 유체 유동을 제어하기 위한 수동식 또는 자동식 작동 차단 밸브와,
유체 배출 경로에 따른 유체 유동을 차단하는 밀봉 위치로 편향되는 밸브 요소와,
유체 배출 경로에 따라 밸브 요소의 하류에 위치되고, 약 14.7 psia (101.3 kPa) 내지 약 50 psia (344.7 kPa) 범위의 압력으로 충전되고 밀봉되는 벨로우즈 챔버를 포함하는 진공 작동식 체크 밸브를 포함하며,
벨로우즈는 시효 경화된 합금강, 시효 경화된 니켈계 합금 및 구리 베릴륨 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 재료로 제조되고, 벨로우즈 챔버는 진공 작동식 체크 밸브의 본체에 대해 고정되는 일부분과, 유체 배출 경로에 따라 유체 유동을 허용하도록 벨로우즈의 내부와 외부 사이의 상대 압력이 벨로우즈를 팽창시키고 밸브 요소를 개방 위치로 편향시키는 경우 밸브 요소에 작동식으로 연결되는 다른 부분을 포함한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 진공 작동식 체크 밸브의 벨로우즈 조립체가 제공된다. 체크 밸브는 진공 작동식 체크 밸브 하우징 내부에 배치되는 벨로우즈 챔버를 포함하며, 벨로우즈는 14.7 psia (101.3 kPa) 내지 50 psia (344.7 kPa) 범위의 압력으로 충전 및 밀봉되고, 벨로우즈는 시효 경화된 합금강, 시효 경화된 니켈계 합금 및 구리 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 재료로 제조된다. 벨로우즈 챔버는 적어도 4 lbf (1.8 kgf)의 추력으로 벨로우즈를 팽창시키도록 챔버 내부에서 밸로우즈의 외부상에서 진공 조건에 반응한다.
본 발명의 목적들 및 장점들은 첨부된 도면과 관련하여 이들의 바람직한 실시형태의 하기 상세한 설명으로부터 보다 더 이해될 것이며, 도면에서 동일한 부호는 전체를 통해 동일한 특징부를 나타내고,
도 1은 가압 유체의 저장 및 분배 제어를 위한 시스템의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 2는 내부에 배치된 진공 작동식 체크 밸브를 갖는 밸브 헤드 조립체의 개략적인 확대 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 벨로우즈 조립체/챔버의 개략도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 내부 유동 제한 장치의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 5는 종래 기술의 벨로우즈 조립체/챔버의 개략도이다.
도 6은 시스템이 1230 psig (8,581.9 kPa)에서 질소로 가압되는 본 발명의 벨로우즈 챔버를 합체한 체크 밸브에 대한 시험 결과를 도시한다.
본 발명은 이온 주입과 같은 반도체 처리 공정을 수반하는 분야에 있어 소스 기체 공급원으로서 저압 또는 대기 중보다 낮은 압력 저장 및 송출 시스템을 제공한다. 이 시스템은 기체상 또는 부분 기체상으로 저장되는 가압 유체의 배출을 제어한다. 설명을 목적으로, 본 발명은 삼불화붕소의 송출에 대해 추가로 기재된다. 그러나, 당업자는 농축 삼불화붕소 (즉, 11BF3), 실란, 불소 또는 사불화규소와 같은 임의의 수소화 또는 할로겐화 화합물을 이용할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 1에서 도시된 바와 같이, 가압 및 독성 유체의 저장 및 송출을 위한 시스템(10)이 도시된다. 시스템(10)은 기체상 또는 부분 기체상의 삼불화붕소를 함유하는 고압 실린더 또는 탱크(12)를 구비한다. 압축된 기체 실린더는 운수부에서 승인한 3AA 실린더와 같은 통상의 500 cc 실린더일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 실린더 밸브 헤드(14)는 실린더(12)의 상단부에서 나사식으로 결합된다. 실 린더 밸브 헤드(14)는 서듀스, 인크.(Ceodeux, Inc.)에서 제작한 것과 같은 이중 포트 316 스테인레스강 밸브일 수 있다. 이중 포트 밸브 실린더 헤드(14)는 변형 억제(tamper resistant) 충전 포트(16)를 포함하며, 이를 통해 실린더(12)는 생성물로 충전된다. 충전시, 사용자는 약 0.25 인치(0.635 cm) 내지 약 0.5 인치(1.27 cm) 범위의 출구 개방부를 갖는 표면 시일 VCR(상표명) 포트인 사용자 포트(18)를 통해 실린더로부터 생성물을 취출할 수 있다. 실린더의 내부는 입구(22)를 구비하는 내부 유동 제한 장치(20)를 포함한다. 고갈될 때까지, 삼불화붕소는 입구(22)로부터 이하에 상술되는 유체 유동 경로에 따라 내부 유동 제한 장치 및 진공 작동식 체크 밸브(26)를 통해 사용자 포트(18)로 유동한다.
진공 작동식 체크 밸브(26)는 실린더로부터 삼불화붕소 유체의 배출을 자동식으로 제어하는 벨로우즈 챔버를 포함한다. 물론, 체크 밸브(26)는 유체 유동 경로에 따라 이중 포트 밸브의 포트 본체 내부, 이중 포트 밸브의 상류, 실린더의 내부 또는 부분적으로 이중 포트 밸브 내부 및 부분적으로 실린더 내부에 배치할 수 있다. 도 1의 예시적인 실시형태에서 나타낸 바와 같이, 진공 작동식 체크 밸브는, 유체 배출 경로에 따라 위치하는 하우징에 체크 밸브의 일부분을 부착함으로써, 실린더(12) 내부에 전체가 배치된다. 이중 포트 밸브의 상부의 핸들(28)은 사용자 포트(18)에 이르는 유체 배출 경로에 따른 유체의 수동식 제어를 가능하게 한다. 이 유형의 유체 저장 및 분배 시스템은 본원에 그 전문이 참조로 포함되는 상기 언급된 미국 특허 제5,937,895호, 제6,007,609호 및 제6,045,115호에 기재되며, 다만 이들은 단일 포트 밸브 실린더 헤드를 채용한다.
도 2를 살펴보면, 유체 유동 경로는 내부 요소들에 관하여 예시된다. 예시적인 실시형태에서, 용이한 설명을 위해, 진공 작동식 체크 밸브(26)는 단일 포트 실린더 헤드 밸브(14)의 포트 본체(29) 내에 배치된다. 헤드 밸브(14) 외부에서 삼불화붕소 기체의 경로 이후에, 기체는 우선 내부 유동 제한 장치 튜브(20)를 통해 밸브 입구(30)에 유입된다. 헤드 밸브(14)의 포트 본체는 진공 작동식 체크 밸브(26)를 포함한다. 유입된 기체는 우선 포핏 형태의 밸브 요소(32)와 접촉한다. 스프링(34)은 밸브 시트(36)에 대하여 포핏 밸브(32)를 편향시켜 기체 유동 경로에 따른 밀폐된 조건을 형성한다. 포핏 밸브(32)의 상부는 밸브 시트(36)에 걸쳐 포지티브 시일을 유지하는 탄성 와셔 또는 다른 밀봉 요소를 보유할 수 있다. 스프링(34)은 통상 벨로우즈(38)가 팽창하여 접촉 플레이트(40)를 변위시킬 때까지 밸브 시트(36)에 대고 포핏 밸브(32)를 가압한다. 접촉 플레이트(40)는 밸브 시트(36)로부터 포핏(32)을 밀어내는 제어 핀(42) 상에서 작동한다. 이후, 삼불화붕소 기체는 핀(42) 주변의 핀 통로(44)를 통해 그리고 벨로우즈(38)를 수용하는 하우징(54)으로 유동할 수 있다.
벨로우즈 챔버(50)는 벨로우즈 챔버의 외부를 둘러싸는 외부 슬리브/하우징(54)을 갖는 내부 압력 챔버를 형성하는 벨로우즈 가이드(48) 및 기부 가이드 플레이트(56)로 구성된다. 벨로우즈의 상단부에서 벨로우즈 가이드(48)와의 밀봉 접촉부 및 벨로우즈의 하단부에서 접촉 플레이트(40)와의 밀봉 접촉부는, 진공 작동식 체크 밸브(26) 내부의 압력으로부터 및 일반적인 기체 유동 경로로부터 벨로우즈를 단리시킨다. 벨로우즈 챔버(50)의 내부 부품(즉, 압력 챔버)은 통상, 벨로우 즈 챔버(50)를 둘러싸는 하우징에서의 압력이 감소함으로써 벨로우즈 챔버(50) 내의 기체가 벨로우즈를 팽창시키고 접촉 플레이트(40)를 핀(42)에 대해 하향으로 밀어내도록, 대기압에서 밀봉된다.
벨로우즈 가이드(48)는 외부 가장자리 주위에 외부 슬리브(54)를 보유한다. 외부 슬리브(54)는 가이드 플레이트(56)와 함께 위치한다. 동시에, 벨로우즈 가이드(48), 외부 슬리브(54) 및 가이드 플레이트(56)는 벨로우즈 챔버(50)를 보호식으로 둘러싼다. 핀(42)은 가이드 플레이트(56) 내의 중앙 구멍을 관통하여 접촉 플레이트(40)와 일렬 정렬로 유지된다.
벨로우즈 챔버(50)를 둘러싼 하우징을 나가는 삼불화붕소 기체는 밸브 입구 포트(58)를 통해 그리고 밀봉 표면(60)에 걸쳐 유동한다. 나사식 부싱(62)은 포트 본체(29)에 다층 금속 다이어프램(64)을 죄어 밸브 스템(66)을 지나는 유체 누출에 대한 포지티브 시일을 형성한다. 나사식 밸브 스템(66)과 함께 작동하는 핸들(28)은, 다이어프램(64) 상에서 마찰 패드(70)를 통해 피스톤(68)에 힘을 가하여 스프링(74)의 저항력에 대항하여 주 밸브 플런저(72)를 하향으로 이동시킨다. 플런저(72)의 하향 이동은 너트(78)에 의해 유지되는 엘라스토머 밀봉 요소(76)에 힘을 가하여 표면들(60)에서 시일을 형성한다. 다이어프램(64)으로부터 떨어져 있는 백킹 밸브 스템(66)은 스프링(74)이 밸브 플런저(72)를 상승하게 하여, 밀봉 표면들(60)을 분리시키고 기체가 포트(58)를 통해 유동하게 한다. 일단 밀봉 표면들(60)을 지나면, 삼불화붕소 기체는 챔버(80)로부터 도관(82)을 통해 사용자 포트(18)로 유동한다.
이 체크 밸브(26)는 벨로우즈 하우징 내부의 압력이 진공 조건으로 떨어질 때까지, 포핏(32)의 개방을 확실히 방지하도록 설정될 수 있다. 이 조건은 통상 760 토르 (101.3 kPa) 이하와 동일하다. 진공 작동식 체크 밸브를 이와 같이 설정함과 동시에, 밸브 플런저(70)를 수축시키도록 핸들(28)을 반시계 방향으로 회전시키는 것은, 실린더로부터 삼불화붕소의 분배를 야기하지 않을 수 있다. 통상적인 최종 사용자의 장치는 100 토르 (13.3 kPa) 미만의 압력으로 작동하기 때문에, 진공 및 특히 500 토르 (66.6 kPa) 미만의 압력에서 삼불화붕소를 분배하는 것은, 몇 가지 뚜렷한 장점을 갖는다. 예를 들어, 삼불화붕소 기체 연결부 전체에서 음압인 경우에, 이와 같은 누출은 장치 자체에 의해 신속히 검출되는 최종 사용자 장치로만 누출될 수 있다. 따라서, 임의의 누출이 있는지를 확인하기 위해 접합부마다 확인할 필요가 없다. 또한, 탱크 압력을 최종 사용자의 재료 유동 제어기에 허용가능한 압력으로 감소시키는 외부 조절기가 필요하지 않다. 더 중요하게는, 상술한 삼불화붕소 시스템에서 파이프 연결부의 우연한 개방은 고압 송출 시스템 연결부의 우연한 개방 보다 크기 면에서 덜 유해하다.
그러나, (즉, 600 psig (4,238.2 kPa) 초과 1500 psig (10,443.5 kPa) 이하의 압력에서) 삼불화붕소와 같은 기체 상태의 유체를 함유하는 실린더의 경우, 벨로우즈의 추력은 핀(42)을 이동시켜 포핏 밸브(32)를 시트로부터 벗어나게 하기에 불충분하다는 것이 밝혀졌다.
밀봉된 벨로우즈 챔버(50)의 내부를 대기압 초과의 압력(즉, 14.7 psia (101.3 kPa) 초과)으로 충전시키거나 또는 가압하는 것은 벨로우즈의 외부에 진공 이 가해질 때 더 높은 압력 차이를 야기한다는 것을 발견하였다. 도 3에서 나타낸 바와 같이, 벨로우즈 챔버는 아르곤과 같은 불활성 기체로 약 14.7 psia (101.3 kPa) 내지 약 50 psia (344.7 kPa), 바람직하게는 약 14.7 psia (101.3 kPa) 내지 35 psia (241.3 kPa) 및 가장 바람직하게는 약 29.5 psia (203.4 kPa)까지의 범위의 압력으로 충전된다. 벨로우즈 챔버(50)를 대기 중보다 낮은 압력에서 기체로 충전하고 저장된 기체의 압력이 600 psig (4,238.2 kPa)를 초과하는 시스템 내에서 핀을 이동시키는데 필요한 추력에 이르기 위해서는, 시효 경화된 벨로우즈 재료가 밀봉된 내부 벨로우즈 압력을 견디고 포핏(32)을 떨어뜨리기에 적합한 추력을 제공할 수 있어야 함을 발견하였다. 바람직하게는, 벨로우즈 재료는 시효 경화된 합금강, 시효 경화된 니켈계 합금 (예를 들어, 인코넬) 및 구리 베릴륨 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택된다. 상기 언급한 것은 바람직한 재료이지만, 당업자는 유사한 물성을 갖는 다른 재료도 적용할 수 있음을 이해할 것이다.
특히, 진공 작동식 체크 밸브의 작동은 대기 중보다 낮은 압력을 감지함에 따라 벨로우즈의 반복가능한 확장에 기초한다. 사용 기간의 걸쳐 벨로우즈의 작동은 중요하다(즉, 압력 조건에 반응하는 확장/수축 반복성). (종래 기술에서 이용된) 오스테나이트 스테인레스강과 같은 냉간 가공된 재료로 제작된 벨로우즈는, 전체 길이 변화에 대해서 불안정성을 나타낼 가능성이 있다. 벨로우즈 길이 단축 또는 압축 세트는 스프링 요소(즉, 벨로우즈 및 나선형 스프링, 여기서 잔여 응력이 형성 공정 동안에 부여됨)의 특성을 나타낸다. 압축 세트 (또는 길이 단축)에 대한 높은 내성 및 장기간 반복성을 갖는 벨로우즈 요소를 제작하기에 최적의 부류의 재료는 상기 논의한 바와 같은 시효 또는 침전 경화된 합금이다. 시효 경화된 합금은, 이 부류의 재료로 형성된 벨로우즈 챔버가 우수한 내부식성 및 원하는 추력을 위한 기계적 특성을 나타내기 때문에, 바람직한 후보 재료이다. 벨로우즈를 시효 경화된 재료로 제작함으로써 주어지는 추가의 이점은 벨로우즈 컨디셔닝 절차의 배제이다. 구체적으로, 종래 기술에서 벨로우즈 컨디셔닝 절차는, 시스템으로의 벨로우즈 챔버의 조립 이전에 전개되고 실행된다. 이 노동 집약적 절차는 본 발명의 시효 경화된 재료를 이용함으로써 더 이상 필요하지 않다.
벨로우즈 재료 및 벨로우즈 챔버의 충전에 대한 변형에 기초하여, 고압 실린더(12)는 실린더의 치수를 변화시키지 않고 이온 주입에 일반적으로 이용되는 실린더 보다 3배까지 더 많은 용량으로 충전될 수 있다. 예를 들어, 삼불화붕소의 경우, 본 발명의 벨로우즈 챔버를 갖는 현존 2.27 리터 실린더는 335 그램 (600 psig (4,238.2 kPa)에서)에 대하여 1000 그램 (1235 psig (8,616.3 kPa)에서) 및 일반적으로 사용되는 6.33 리터 실린더의 경우 1065 그램에 대하여 3180 그램의 용량으로 충전될 수 있다.
도 1을 다시 살펴보면, 만약 체크 밸브가 개방 위치에서 고장나거나, 또는 그렇지 않으면 내부에 체크 밸브가 구비된 밸브 헤드(14)가 전단 변형되는 경우에, 기체의 유동을 제한하는 제한된 유동 경로(20)가 진공 작동식 체크 밸브(26)의 상류에서 유동 경로에 따라 배치될 수 있다. 임의의 이러한 모세관 형태의 제한 장치는 유동 제한 장치로서 최상의 유연성 및 신뢰성을 제공한다. 단일 또는 다중 소직경 구멍 또는 기밀 패킹된 재료가 제공되든 안되든, 이러한 유형의 적합한 제 한 장치는 바람직하게 기상 유체의 전송을 매우 낮은 속도로 제한할 것이다.
예를 들어, 단일 구멍 모세관은 1200 psig (8,375.1 kPa)의 실린더 압력 및 68℉의 온도에서 대기 중의 삼불화붕소 방출을 삼불화붕소 약 35 sccm 미만으로 제한하는 반면, 7개의 구멍 모세관은 유사한 조건에서 약 245 sccm으로 유동 속도를 제한할 수 있다. 모세관은 실린더(12)로부터 유일한 출구를 제공하며, 감김 구성물일 수 있고, 통상 0.02 밀리미터 (0.001 인치) 미만의 내경을 갖는다.
적합한 다양한 모세관 구조가 생성될 수 있다. 도 4의 단면도에서 더욱 명확히 나타낸 바와 같이, 통상 스테인레스강으로 제조되는 금속 튜브(84)는 유리 튜브(86)를 보호식으로 둘러싼다. 튜브(86)의 직경 내부는 중앙 유리 막대기(90) 주변에 6개의 중실(solid) 유리 막대기들(88)의 육각형 배열을 유지하며, 모든 막대기들은 거의 동일한 직경을 갖는다. 막대기들(88)과 막대기(90) 사이 및 막대기들(88)과 튜브(86)의 내부 사이의 공간들(92)은 내부 유동 제한 장치(20)를 통해 기체를 계량 공급하기 위한 모세관 크기의 유동 면적을 제공한다. 유리 막대기들(88 및 90) 위에 유리 튜브를 끼움으로써 강성 튜브 및 막대기 조립체를 제공한다. 따라서, 내부 막대기들이 부서지더라도, 유리 튜브(86)에 의한 부품들의 보유는 유리 튜브(86)의 내경을 통한 모세관 유동을 유지할 것이다. 금속 튜브(84)는 유리 막대기들(88 및 90) 주위를 임의로 수축시키는 경우 추가의 강성 및 내구성을 부가하여 강화된 유닛을 제공한다. 금속 튜브(84)의 임의의 강화로, 유리 막대기들 및 이들 주위의 유리 튜브의 파손은 모세관 구조를 통해 제한되는 유동 경로의 기능을 실질적으로 변하지 않게 할 수 있다.
본 발명은 하기 실시예 및 비교예를 참조하여 더욱 설명될 것이지만, 이들이 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
비교예 1
통상의 진공 작동식 체크 밸브에서 벨로우즈 추력의 측정을 수행하였다. 도 5를 살펴보면, 밀봉된 벨로우즈 챔버의 내부 고리는 아르곤 기체를 이용하여 압력 14.7 psia (101.3 kPa)로 충전하였다. 벨로우즈는 321 스테인레스강(즉, 오스테나이트 스테인레스강)으로 구성된다. 벨로우즈의 평균 유효 면적(MEA)을 0.237 in2 (1.5 cm2)로 가정하면, 300 토르(5.8 psia)(39.9 kPa)의 작동 압력에 의해 생성되는 파운드 단위의 하향력은, 벨로우즈의 내부 압력(14.7 psia (101.3 kPa)) 및 작동 압력(5.8 psia) (39.9 kPa)과 MEA (0.237 in2) (1.5 cm2)를 곱한 미분값이다. 따라서, 2.11 lbf (0.95 kgf)의 하향력이 실린더 내의 기체의 유동을 위해 체크 밸브를 개방하는 핀/포핏 조립체 상에 가해진다. 벨로우즈 설계와 함께, 예비압축된 스프링과 BF3의 경우 600 psig (4,238.2 kPa) 이하의 내부 기체 압력의 조합에 의해 핀/포핏 상에 가해진 밀폐 압력을 극복하기에 충분한 개방력이 생성된다. 그러나, 600 psig (4,238.2 kPa) 초과의 내부 기체 압력에서 통상의 벨로우즈 조립체는, 밸브를 개방하기에 충분한 하향 추력을 생성할 수 없다. 따라서, BF3 (및 다른 기체)의 경우, 실린더 용량은 600 psig (4,238.2 kPa)의 실린더 최대 압력으로 제한된다.
실시예 2
본 발명의 진공 작동식 체크 밸브에서, 통상적인 실린더 포트 개구부들을 이용하도록, 벨로우즈 파라미터들을 변형하여 벨로우즈 추력을 증가시킴으로써 저장 및 송출 시스템에서 실질적으로 더 많은 BF3 용량을 수용할 수 있다. 고용량 BF3 설계의 경우 벨로우즈 조립체 구성을 도 3에 나타낸다. 벨로우즈의 구성 재료 및 고리 충전 압력에 있어서의 변화들이 현저하다. 앞서 언급한 바와 같이, 침전 또는 시효 경화된 합금은 벨로우즈, 보르돈 튜브, 스프링 등의 제작 및 작동에 있어 최상의 특성 조합을 갖는다. 이들은 오스테나이트 스테인레스강과 대비하여 열 처리함으로써 탄성 특성을 얻는다. 고리 내의 충전 압력을 29.5 psia (203.4 kPa)로 증가시키는 것은, 동일한 300 토르 (39.9 kPa) 진공 작동 압력에서 5.62 lbf (2.54 kgf)의 하향 추력을 야기한다. 본 발명에서 벨로우즈의 구성은, 밸브를 개방하기에 충분한 힘을 일으켜 실린더 충전 용량을 600 psig (4,238.2 kPa)보다 실질적으로 더 높게 한다.
내부에 본 발명의 진공 작동식 체크 밸브를 기체 저장 및 송출 시스템 내에 설치하고 유동 시험을 수행하였다. 진공 작동식 체크 밸브 상에서의 입구 압력이 1230 psig (8,581.9 kPa)이도록 시스템 내에 질소 기체를 제공하였다. 유동 시험은 2시간 반에 걸쳐 수행하였다. 사용 포트의 하류에 연결되는 압력 변환기는, MFC가 유속을 2 sccm으로 제어함에 따라 대기 중보다 낮은 조건에서의 작동 압력을 측정하였다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 실린더 충전 압력이 1230 psig (8,581.9 kPa)인 체크 밸브의 진공 작동 압력은 420 내지 440 토르 (55.9 내지 58.6 kPa)이다. 따라서, 이는 벨로우즈가 1230 psig (8,581.9 kPa)의 입력 압력에서 기능하고, 상기로부터 산출되고 나타내는 힘 합계 모델이 포핏을 시트 외부로 이동시켜 고압 고용량 저장 진공 송출 시스템으로부터 기체가 제거되도록 적절한 추력을 제공하는 것을 확인시킨다.
본 발명은 이들의 특정한 실시형태를 참조하여 상세히 기재되었지만, 첨부된 청구 범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양한 변화 및 변형이 이루어질 수 있고, 등가물이 적용될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 수소화 또는 할로겐화 화합물을 함유하는 가압 탱크의 출구로부터 가압 유체의 배출을 제어하기 위한 시스템이며,
    기체상 또는 부분 기체상의 가압 유체를 보유하기 위한 탱크와,
    유체 배출 경로를 형성하는 가압 탱크의 출구와 연통하기 위한 포트 본체와,
    포트 본체 내에 또는 포트 본체의 상류에 고정되고, 유체 배출 경로를 통한 유체 유동을 차단하는 밀봉 위치와 유체 경로에 따른 유동을 허용하는 개방 위치 사이에서 이동하도록 구성되는 밸브 요소와,
    밸브 요소의 하류에서 하우징의 내부에 배치되는 벨로우즈 챔버를 포함하며,
    벨로우즈 챔버는 약 14.7 psia (101.3 kPa) 내지 약 50 psia (344.7 kPa) 범위의 압력으로 충전 및 밀봉되고, 벨로우즈는 시효 경화된 합금강, 시효 경화된 니켈계 합금 및 구리 베릴륨 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 재료로 제조되고,
    상기 벨로우즈 챔버는, 배출 경로와의 연통이 하우징 내부에 진공 조건을 형성할 때 개방 위치로 밸브 요소를 이동시키도록 밸브 요소의 하류에서 유체 배출 경로의 일부와 연통하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 밸브 요소는 포핏 밸브를 포함하고, 벨로우즈의 팽창은 핀이 포핏을 개방 위치로 변위하게 만드는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 탱크는 최대 용량 조건에서 약 600 psig (4,238.2 kPa) 내지 약 1500 psig (10,443.5 kPa) 범위의 압력으로 기체상 유체를 함유하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 벨로우즈 챔버는 약 25 psia (172.3 kPa)의 압력으로 밀봉되는 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 벨로우즈는 시효 경화된 인코넬 재료인 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 탱크는 유동 경로의 적어도 일부를 따라, 용기 내에 함유된 기체의 유동을 대기압 조건에서 35 sccm 미만으로 제한하는 제한 장치를 더 포함하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 제한 장치는 하나 이상의 도관인 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 하나 이상의 도관은 0.2 mm를 초과하지 않는 내경을 갖는 모세관인 시스템.
  9. 가압 유체를 함유하고, 실린더로부터 가압 유체의 배출을 제어하기 위한 실린더 및 밸브 조립체이며,
    실린더 개구부를 갖는 실린더와,
    실린더 개구부와의 밀봉 결합을 위한 포트 본체와,
    포트 본체에 의해 형성되고 실린더 내부에 위치되는 유체 입구 포트와,
    포트 본체에 의해 형성되고 실린더 외부에 위치되는 유체 출구 포트와,
    유체 입구 포트와 유체 출구 포트 사이에서 포트 본체에 의해 형성되는 유체 배출 경로와,
    유체 배출 경로에 따른 유체 유동을 제어하기 위한 잠금 밸브와,
    유체 배출 경로에 따른 유체 유동을 차단하는 밀봉 위치로 편향되는 밸브 요소와,
    유체 배출 경로에 따라 밸브 요소의 하류에 위치되고, 약 14.7 psia (101.3 kPa) 내지 약 50 psia (344.7 kPa) 범위의 압력으로 충전되고 밀봉되는 벨로우즈 챔버를 포함하는 진공 작동식 체크 밸브를 포함하며,
    벨로우즈는 시효 경화된 합금강, 시효 경화된 니켈계 합금 및 구리 베릴륨 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 재료로 제조되고,
    벨로우즈 챔버는 진공 작동식 체크 밸브의 본체에 대해 고정되는 일부분과, 유체 배출 경로에 따라 유체 유동을 허용하도록 벨로우즈의 내부와 외부 사이의 상대 압력이 벨로우즈를 팽창시키고 밸브 요소를 개방 위치로 편향시키는 경우 밸브 요소에 작동식으로 연결되는 다른 부분을 포함하는 실린더 및 밸브 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 진공 작동식 체크 밸브는 포트 본체 내부에 완전히 또는 부 분적으로 배치되는 실린더 및 밸브 조립체.
  11. 제9항에 있어서, 진공 작동식 체크 밸브는 포트 본체의 상류에서 실린더 내부에 배치되는 장치.
  12. 제9항에 있어서, 벨로우즈는 밸브 요소를 진공 조건에 반응하여 개방 위치로 이동시키도록 구성되는 실린더 및 밸브 조립체.
  13. 제9항에 있어서, 진공 작동식 체크 밸브는 포핏을 포함하는 실린더 및 밸브 조립체.
  14. 제9항에 있어서, 유동 경로의 적어도 일부분을 따라 제한 장치를 더 포함하는 실린더 및 밸브 조립체.
  15. 제14항에 있어서, 제한 장치는 실린더 내에 함유된 기체의 유동을 대기압 조건에서 35 sccm 미만으로 제한하는 실린더 및 밸브 조립체.
  16. 제15항에 있어서, 제한 장치는 0.2 mm 미만의 내경을 갖는 하나 이상의 모세관을 포함하는 실린더 및 밸브 조립체.
  17. 제9항에 있어서, 탱크는 약 600 psig (4,238.2 kPa) 내지 약 1500 psig (10,443.5 kPa) 범위의 압력으로 기체상 유체를 함유하는 실린더 및 밸브 조립체.
  18. 제9항에 있어서, 벨로우즈 챔버는 약 25 psia (172.3 kPa)의 압력으로 밀봉되는 실린더 및 밸브 조립체.
  19. 제9항에 있어서, 벨로우즈는 시효 경화된 인코넬 재료인 실린더 및 밸브 조립체.
  20. 진공 작동식 체크 밸브의 벨로우즈 조립체이며,
    진공 작동식 체크 밸브 하우징 내부에 배치되는 벨로우즈 챔버를 포함하고,
    벨로우즈 챔버는 14.7 psia (101.3 kPa) 내지 50 psia (344.7 kPa) 범위의 압력으로 충전 및 밀봉되고, 벨로우즈는 시효 경화된 합금강, 시효 경화된 니켈계 합금 및 구리 베릴륨 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 재료로 제조되며, 상기 벨로우즈는 벨로우즈를 적어도 4 lbf (1.8 kgf)의 추력으로 팽창시키도록, 벨로우즈 챔버의 외부 상에서 진공 조건에 반응하는 벨로우즈 조립체.
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