KR20150066569A - 고 전압 전위에 걸친 가스 이송 - Google Patents

고 전압 전위에 걸친 가스 이송 Download PDF

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Abstract

가스 이송 시스템 내에서 발생하는 파셴 이벤트들의 효과를 감소시키기 위한 기술들이 개시된다. 패시브 분리 어셈블리는 저 전위 환경으로부터 고 전위 환경으로 이송되는 가스를 브리징하는데 사용될 수 있다. 패시브 분리 어셈블리는 비-전도성의 축방향으로 보어링된(bored) 이송 절연체를 포함할 수 있다. 불규칙한 형상의 비-전도성 분리 트래킹 절연체는 이송 절연체와 직접 접촉하고 이를 둘러쌀 수 있다. 패시브 분리 어셈블리는 또한 소스 가스 이송 라인과 결합하도록 적응된 개구를 갖는 대지 접지의 전기 전도성 전방 단부 밀봉 캡, 및 목적지 가스 이송 라인과 결합하도록 적응된 개구를 갖는 고 전압 전위의 전기 전도성 후방 단부 밀봉 캡을 포함할 수 있다.

Description

고 전압 전위에 걸친 가스 이송{GAS TRANSPORT ACROSS A HIGH VOLTAGE POTENTIAL}
본 발명의 실시예들은 가스 분배 시스템들에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 파셴 이벤트(Paschen event)들을 제거하거나 또는 이러한 파셴 이벤트들의 효과를 크게 감소시키는 가스 분배 시스템들에 관한 것이다.
대지 접지(earth ground)(예를 들어, 0 V)인 원격 분배 박스로부터 큰 전압 전위에 있을 수 있는 환경에서 가스(들)를 사용하는 기계류로 산업 가스(들)를 이송하는 것은 도전이다. 유독성 가스 분배에 있어 안전이 다른 무엇보다도 중요한 관심사이다. 대기로의 가스 누설은 인접한 환경에서 작업하는 인원들에게 심각한 건강상의 위험을 제공할 수 있다. 임의의 누설은 PPM(parts per million) 레벨로 제한되어야만 한다. 유독성 가스 분배에서 다른 주요 관심사는 가스의 소스와 그 목적지 사이의 고 전압 전위를 브리징(bridge)하는 것이다. 가스는, 파셴 이벤트들이 제거되도록 또는 파셴 이벤트들의 효과들이 크게 축소되도록 이송되어야만 한다.
본 명세서에서 설명되는 실시예들은 이러한 그리고 다른 고려사항들에 대하여 전개된다.
본 과제의 해결 수단은 이하의 상세한 설명에서 더 설명되는 간략화된 형태로 개념들의 선택을 소개하기 위해 제공된다. 본 과제의 해결 수단은 청구된 대상의 주요 특징들 또는 본질적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않으며, 청구된 대상의 범위를 결정하는데 도움이 되도록 의도되지도 않는다.
다양한 실시예들은 가스 이송 시스템 내에서 발생하는 파셴 이벤트들을 제거하거나 및/또는 그 효과들을 감소시키는 것에 관한 것이다. 예를 들어, 패시브 분리 어셈블리(passive isolation assembly)가 제 1 압력의 저 전위 환경으로부터 제 2 압력의 고 전위 환경으로 가스를 브리징하는데 사용될 수 있다. 패시브 분리 어셈블리는 로드의 길이까지 연장하는(extending) 중심 축방향 보어(bore)를 갖는 가늘고 긴 로드(rod)로 구성된 비-전도성 이송 절연체를 포함할 수 있다. 비-전도성 분리 트래킹(tracking) 절연체가 이송 절연체와 직접 접촉하고 이를 둘러쌀 수 있다. 분리 트래킹 절연체는, 분리 트래킹 절연체의 외측 직경의 트래킹 길이를 증가시키는 불규칙한 형상을 가질 수 있다. 분리 트래킹 절연체는 열가소성 수지 재료로 만들어질 수 있다. 패시브 분리 어셈블리는 또한 소스 가스 이송 라인과 결합하도록 적응된 개구를 갖는 대지 접지의 전기 전도성 전방 단부 밀봉 캡, 및 목적지 가스 이송 라인과 결합하도록 적응된 개구를 갖는 고 전압 전위의 전기 전도성 후방 단부 밀봉 캡을 포함할 수 있다.
다른 실시예들에 있어, 패시브 분리 어셈블리는 대지 접지 전위 환경으로부터 하류측 장비에 의해 사용되는 고 전위 환경으로 이송되는 가스를 안전하게 브리징하기 위해 더 큰 가스 이송 시스템 내에 통합될 수 있다.
도 1은 다양한 가스들에 대한 파셴 커브들의 일 예를 예시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 이송 시스템의 일 예를 예시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 이송 라인의 더 상세화된 예시이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패시브 분리 어셈블리의 일 예를 예시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방 단부 밀봉 캡의 단면도를 예시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 후방 단부 밀봉 캡의 단면도를 예시한다.
이제, 디바이스의 바람직한 실시예들이 도시된 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 디바이스가 이하에서 더 완전하게 설명될 것이다. 그러나, 이러한 디바이스는 다수의 상이한 형태들로 구현될 수 있으며, 이하에서 기술되는 실시예들에 한정되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 발명이 완전하고 철저해질 수 있도록, 그리고, 본 디바이스의 범위를 당업자들에게 완전히 전달하기 위하여 제공된다. 도면들에 있어, 동일한 도면부호들이 전체에 걸쳐 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이상에서 언급된 바와 같이, 유독성 가스들을 이송할 때 안전이 가장 두드러지는 관심사이다. 이는, 유독성 가스들이 대지 접지 전위(즉, 0V)의 소스 컨테이너로부터 상당히 높은 전압 전위들(예를 들어, 100kV)의 환경의 기계류로 이송될 수 있을 때 특히 그러하다. 가스는, 파셴 이벤트들이 제거될 수 있도록 또는 파셴 이벤트들의 효과들이 크게 축소될 수 있도록 이송되어야만 한다. 파셴 이벤트는 릴리징(release)된 전자들의 캐스케이드로부터 아크(arc)가 발생되게 하는 아발란치 항복(avalanche breakdown)을 야기하는 연쇄 반응으로서 특징지어질 수 있다. 이러한 이벤트에 의해 플라즈마가 형성될 수 있다. 플라즈마의 형성은 브리징 컴포넌트들의 수명을 감소시킬 수 있으며, 과도 전류 드로우(excess current draw)를 야기하여 브리징 컴포넌트들의 용량들을 제한할 수 있다.
파셴의 법칙은 압력 및 간극(gap) 거리의 함수로서 평행한 플레이트들 사이의 가스의 항복 전압을 설명한다. 간극에 걸쳐 아크를 발생시키기 위한 전압이 압력이 감소함에 따라 어떤 지점까지 감소한다. 그 뒤 전압이 그 원래 값을 넘어 점진적으로 증가한다. 정상 압력에 대하여, 아크를 일으키기 위해 필요한 전압이 간극 크기와 함께 감소되지만, 단지 어떤 지점까지이다. 간극이 더 감소될 때, 요구되는 전압이 상승하며, 다시 그 원래 값을 초과한다. 이는, 가스들, 즉 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 수소(H2) 및 질소(N2)에 대한 파셴 커브들이 전압 및 압력의 함수로서 예시되는 도 1에 예시된다.
가스 내의 분자들의 평균 자유 경로(mean free path)는 다른 분자들과 그 분자의 충돌 사이의 평균 거리이다. 이는 가스의 압력에 반비례한다. 공기 중에서, 표준 온도에서의 분자들의 평균 자유 경로는 약 96 nm이다. 전자들의 훨씬 더 작기 때문에, 분자들과 충돌하는 전자들 사이의 평균 거리는 약 5.64배 더 길거나 또는 약 0.5 μm이다. 이는 최소 아크 전압에 대한 전극들 사이의 7.5 μm 간격의 상당한 부분이다. 전자가 43 MV/m의 전기장 내에 있는 경우, 전자가 가속되고 필드의 방향 내에서 0.5 μm의 이동에서 21.5 전자 볼트(eV)를 획득할 것이다. 예를 들어, 질소로부터 전자를 분리하기 위해 필요한 제 1 이온화 에너지는 약 15 eV이다. 가속된 전자는 질소 원자를 이온화하기에 충분한 에너지보다 더 많은 에너지를 획득할 것이다. 이러한 해방된 전자는 결과적으로 가속되며, 이는 다른 충돌을 야기할 것이다. 그러면 연쇄 반응이 릴리징된 전자들의 캐스케이드에 기인하는 아크 발생들 및 아발란치 항복을 초래한다.
더 높은 압력의 가스 내의 전극들 사이의 전자 경로에서 더 많은 충돌들이 일어날 것이다. 압력-간극 곱 p*d가 높을 때, 전자가 캐소드로부터 애노드로 이동할 때 다수의 상이한 가스 분자들과 충돌할 것이다. 충돌들의 각각이 전자 방향을 랜덤화(randomize)하며, 그 결과 전자가 항상 전기장에 의해 가속되는 것은 아니다 -- 때때로 전자가 다시 캐소드를 향해 이동하며 필드에 의해 감속된다.
충돌들은 전자의 에너지를 감소시키며, 전자가 분자를 이온화시키는 것을 더 어렵게 만든다. 따라서 많은 수의 충돌들로부터의 에너지 손실은, 아발란치 항복을 생성하기 위해 요구되는 다수의 가스 분자들을 이온화하기에 충분한 에너지를 축적하기 위해 전자들에 대해 더 큰 전압들을 요구한다.
도 1의 파셴 최저치의 좌측편 상에서, p*d 곱이 작다. 전자 평균 자유 경로가 전극들 사이의 간극에 비해 길어질 수 있다. 이러한 경우에 있어, 전자들이 많은 에너지를 획득할 수 있겠지만, 더 적은 이온화 충돌들을 갖는다. 따라서, 아발란치를 시작하기에 충분한 가스 분자들의 이온화를 보장하기 위해 더 큰 전압이 요구된다.
상이한 가스들이 분자들 및 전자들에 대해 상이한 평균 자유 경로들을 가질 것이다. 이는 상이한 분자들이 상이한 직경들을 갖기 때문이다. 헬륨 및 아르곤과 같은 희가스들은 단분자이며, 더 작은 직경들을 갖는 경향이 있다. 이는 이들에게 더 큰 평균 자유 경로 길이를 제공한다. 이온화 전위들이 분자들 간에 상이할 뿐만 아니라, 전자들이 오빗(orbit) 밖으로 떨어져 나간 후 분자들이 전자들을 재포획하는 속도도 분자들 간에 상이하다. 3가지 모든 효과들이 아크를 초래하기 위해 필요한 자유 전자들의 지수적 성장을 초래하기 위해 요구되는 충돌들의 수를 변경한다.
가스 이송 시스템
대지 접지 전위로 소싱되고(sourced) 상당히 높은 전압 전위들에 있는 장비로 향해지는 가스를 이송함에 있어 하나의 목표는 상이한 전압 전위들 사이의 간극을 안전하게 브리징하는 것이다. 이는, 가스가 이상에서 설명된 파셴의 법칙에 따른 압력 및 간극 거리에 기초한 브리징 컴포넌트들의 전도성 단부들 사이의 가스의 항복 전압에 도달하지 않는 것을 보장함으로써 달성될 수 있다. 가스가 가스의 항복 전압에 도달하는 경우, 이온화가 발생할 수 있으며, 이는 가스 이송 시스템을 불안정하게 만들고, 장비를 손상시키며, 인근의 인원을 위험에 빠뜨릴 수 있는 아발란치 조건을 야기할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 이송 시스템(200)의 일 예를 예시한다. 도 2에 도시된 가스 이송 시스템(200)이 특정 토폴로지(topology)로 제한된 수의 엘러먼트들을 갖지만, 가스 이송 시스템(200)이 주어진 구현예에 대해 희망되는 대안적인 토폴로지들로 더 많거나 또는 더 적은 엘러먼트들을 포함할 수 있는 것이 이해될 수 있을 것이다.
가스 이송 시스템(200)은 소스에서 발원할 수 있다. 이러한 예의 소스는 가스 탱크(204)를 하우징하는 밀봉형 가스 박스 컨테이너(202)이다. 가스 탱크(204)는 가스 이송 라인(220)에 연결되는 가스 실린더에 설치된 수동 가스 바틀 밸브(bottle valve) 및 커플링(coupling)(205)을 포함한다. 소스 가스 이송 라인(220)은, 예를 들어, 이중 벽(double walled) 스테인리스 강 구조로 구성될 수 있다. 도 2a는 가스 이송 튜브(220)를 추가로 예시하는 도 2의 박스 부분(215)을 예시한다. 소스 가스 이송 라인(220)은 2개의 별개의 튜브들을 포함할 수 있으며, 튜브들 내에서 내부 튜브(219)가 가스 탱크(204)로부터 가스를 운반하며, 외부 튜브(221)가 질소와 같은 불활성 가스를 운반한다. 이중 벽 가스 이송 라인(220)은 가스 박스(202)의 외측에서 시작하여, 제어 박스(224)에서 종료한다. 이중 벽 가스 이송 라인(220)이 최외측 튜브(221)에 설치된 T-피팅(fitting)을 통해 채워질 수 있다. T-피팅은 시각적으로 그리고 전자기기(223) 둘 모두를 통해 압력을 모니터링하기 위한 압력 게이지/트랜스듀서(transducer)(222)를 포함할 수 있다. 이중 벽 가스 이송 라인(220)의 외부 튜브(221)는 미리-결정된 압력의 질소(N2)로 채워질 수 있으며, 모니터링될 수 있다.
대안적으로 가스가 이중 벽 가스 이송 라인(220)을 통해 원격 위치로부터 원격 가스 박스로 직접 전달될 수 있으며, 원격 가스 박스는 그 후 가스 압력을 조절한다. 이러한 실시예에 있어, 가스 박스 캐비넷(202) 내에 바틀이 존재하지 않을 것이다.
가스 탱크(204)를 떠나면, 소스 가스 이송 라인(220)은 2개의 경로들, 즉 주 경로(즉, 가스 이송 라인(220)의 계속되는 부분) 및 배출(evacuation) 경로(216)로 갈라지기 전에 조절기(206)를 만난다. 조절기(206)는 내부 튜브(219) 및 외부 튜브(221) 내의 압력을 모니터링하며, 전기 라인들(208)을 통해 원격 제어 박스(224)로 정보를 릴레이한다. 소스 가스 이송 라인(22)은 또한 가스가 차단(shut-off) 밸브(210)를 지나 이동하는 것을 방지하기 위해 소스 가스 이송 라인(220)을 폐쇄할 수 있는 차단 밸브(210)를 포함한다. 유사하게, 배출 경로(216)는 가스가 차단 밸브(212)를 지나 이동하는 것을 방지하기 위해 소스 가스 이송 라인(220)을 폐쇄할 수 있는 차단 밸브(212)를 포함한다. 정상 동작시, 배출 경로(216) 내의 차단 밸브(212)는 폐쇄된 채로 유지된다. 비상 또는 누설 상황들에서, 배출 경로(216) 내의 차단 밸브(212)가 개방될 것이며, 소스 가스 이송 라인(220) 내의 차단 밸브(210)가 폐쇄될 것이다. 가스 탱크(204)가 턴-오프될 것이며, 잔여 가스가 러핑 펌프(roughing pump)(216)로 경로가 바뀌고 배기 시스템(228)을 통해 안전하게 배출될 것이다.
그렇지 않은 경우, 가스가 계속해서 그 목적지를 향해 소스 가스 이송 라인(220)을 통해 이송될 것이다. 이는, 제어 박스(224)에 도착하기 전에 소스 가스 이송 라인(220)이 건물 벽 구조물 관통해 가게 하는 것을 포함할 수 있다. 제어 박스(224)에 도달하기 전에, 압력 게이지/트랜스듀서(222)가 가스 이송 라인(220) 내의 질소 압력을 측정하기 위하여 라인에 위치될 수 있다. 가스 판독결과가 전기 라인(223)을 통해 제어 박스(224)로 전달된다. 그 뒤 소스 가스 이송 라인(220)이 제어 박스(224)에 진입한다. 제어 박스(224)는, 비제한적으로, 다른 차단 밸브(226), 압력 트랜스듀서들(228, 330), 및 유량계(232)를 포함하는 복수의 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 차단 밸브(226)는 시스템의 상태 또는 전류 상태에 기초하여 개방되거나 또는 폐쇄되도록 제어될 수 있다. 압력 트랜스듀서들은 압력 누설을 모니터링하도록 동작할 수 있는 안전 트랜스듀서들이다. 유량계(232)는 가스 이송 라인(220)을 통해 현재 흐르고 있는 가스의 양을 측정하도록 동작할 수 있다.
제어 박스(224)를 떠나, 소스 가스 이송 라인(220)이 패시브 분리 어셈블리(234)를 포함하는 배기 영역(235)에 진입한다. 배기 영역(235)은 배기 영역(235) 내의 압력을 측정하는 압력계(manometer)에 의해 모니터링될 수 있다. 압력계(236) 판독결과가 제어 박스(224)로 전달될 수 있다. 패시브 분리 어셈블리(234)는 소정의 압력 및 대지 접지 전위로 소스 가스 이송 라인(220)으로부터 가스를 받아들이며, 가스가 상이한 압력의 그리고 상당히 더 높은 전압 전위의 환경에서 패시브 분리 어셈블리(234)를 안전하게 빠져나가게 하는 브리징 컴포넌트로서 역할한다. 상이한 압력은 이송되는 가스 종에 따라 더 높거나 또는 더 낮을 수 있다.
이러한 새로운 환경으로 안전하게 브리징된 가스는 그 뒤, 목적지 가스 이송 라인(237)을 통해, 예를 들어, 이온 주입 시스템과 같은 가스를 사용하는 장비(240)에 분배될 수 있다. 장비는, 대지 접지로의 단락을 생성하지 않고 장비를 희망되는 전위로 유지하기 위해 하나 이상의 도자기(porcelain) 절연체들(250)에 의해 지지되는 구조 내에 하우징될 수 있다.
패시브 분리 어셈블리
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패시브 분리 어셈블리(234)의 일 예를 예시한다. 패시브 분리 어셈블리(234)는, 효율적으로 튜브를 생성하는 전장 축방향 보어(full length axial bore)(320)를 포함하는 가늘고 긴 로드의 형상일 수 있는 비-전도성 이송 절연체(310)로 구성될 수 있다. 이송 절연체(310)는, 석영 또는, 비제한적으로, 붕규산염(borosilicate) 또는 유리와 같은 다른 비-전도성 재료들로 구성될 수 있다. 이송 절연체의 재료는, 예를 들어, 60 토르(torr)로부터 3500+ psi(pound per square inch)까지의 압력 변화들을 견딜 수 있어야만 한다.
토르는 760 대 1 표준 대기압의 비를 갖는 압력의 비-SI 단위이며, 일 밀리미터의 수은에 의해 가해지는 유체 압력과 대략적으로 동일하게 선택된다(즉, 1 토르의 압력은 1 밀리미터의 수은과 대략 동일하다). 참조를 위하여, 1 토르는 0.1933 psi와 균등하며, 따라서 60 토르는 약 1.159 psi와 균등하다.
이송 절연체(310)는 열가소성 수지 재료로 구성된 분리 트래킹 절연체(isolation tracking insulator)(320)와 직접 접촉한다. 열가소성 수지는 특정 온도 이상에서 유연해지거나 또는 형을 만들 수 있게 되며, 냉각시 고체 상태로 복귀하는 폴리머이다. 대부분의 열가소성 수지들은 그들의 내열성, 내용제성 및 내염성에 의해 특징지어진다. 이에 더하여, 열가소성 수지들은 또한 높은 유전 강도를 갖는다. 분리 트래킹 절연체(320)에 대해 사용할 수 있는 열가소성 수지들의 예들은, 비제한적으로, 폴리에테르이미드(polyetherimide: PEI), 폴리에테르 에테르 케톤(polyether ether ketone: PEEK), 및 클로르화 폴리비닐 클로라이드(chlorinated polyvinyl chloride: CPVC)를 포함한다.
이송 절연체(310)는 분리 트래킹 절연체(320)에 의해 둘러싸이며, 각각의 단부에서 전기 전도성 전방 단부 밀봉 캡(340) 및 전기 전도성 후방 단부 밀봉 캡(350)에 의해 밀봉된다. 전방 단부 밀봉 캡(340) 및 후방 단부 밀봉 캡(350)은 스테인리스 강 또는 다른 전도성 재료로 만들어질 수 있다.
분리 트래킹 절연체(320)는 그 외측 직경의 트래킹 길이를 증가시키는 불규칙한 형상을 갖는다. 외측 표면을 따른 거리가 최대 전압 격리절연(standoff) 용량을 결정한다. 전형적인 전압 격리 절연 용량은 인치당 10kv이다. 따라서, "주름(convolution)들"로 구성된 불규칙한 형상을 사용하여 길이를 증가시키는 것이 이러한 길이를 증가시키고 전체 전압 격리절연 용량을 증가시킨다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방 단부 밀봉 캡(340)의 단면도를 예시한다. 전방 단부 밀봉 캡(340)은, 또한 대지 접지 전위인 전도성 소스 가스 이송 라인(220)과의 그것의 동작 커플링에서 대지 접지 전위로 유지된다. 전방 단부 밀봉 캡(340)은 가스 이송 라인(320)을 통해 가스를 받아들일 수 있으며, 가스가 분리 트래킹 절연체(320)에 의해 둘러싸인 이송 절연체(310) 내로 전달되게 할 수 있다. 전방 단부 밀봉 캡(340)은 전방 단부 밀봉 캡(340) 내의 임의의 가스 누설을 검출할 수 있는 하나 이상의 모니터링 스위치들 또는 트랜스듀서들을 포함할 수 있다. 제 1 트랜스듀서는 경고 트랜스듀서(342)로서 지칭될 수 있으며, 반면 제 2 트랜스듀서는 페일-세이프 트랜스듀서(fail-safe transducer)(344)로서 지칭될 수 있다. 경고 트랜스듀서(342) 및 페일-세이프 트랜스듀서(344)는 안전한 동작 조건들을 보장한다. 중심 이송 튜브로부터의 누설 이벤트시, 경고 트랜스듀서(342)가 제어 박스(224) 내에 소프트웨어 경보를 제공할 수 있다. 제어 박스(224)에서 실행되는 소프트웨어는 기술자에 의해 원격 위치에서 제어될 수 있고 디스플레이될 수 있다. 기술자는 경고 트랜스듀서(342)에 의해 감지되는 누설에 의해 야기되는 경보를 관찰할 수 있다. 기술자는 서비스 호출을 야기하는 경보에 응답할 수 있다. 누설이 페일-세이프 트랜스듀서(344)에 의해 검출되는 경우, 소프트웨어가 자동으로 안전한 방식으로 이송 가스를 배출시킴으로써 장비 및 인원을 보호하기 위한 루틴을 개시할 수 있다. 경보가 또한 장비 상에 디스플레이될 수 있다.
전방 단부 밀봉 캡(340)은 파열이 발생한 경우 압력 용량을 증가시키는 다중 중복 밀봉 배열로 구성될 수 있다. 예를 들어, 외부 밀봉부(410)가 전방 단부 밀봉 캡(340)의 외부 케이스일 수 있다. 중간 밀봉부(420)는 O-링 및 이중 Parback™ 링 밀봉 배열일 수 있다. 내부 밀봉부(430) 또한 O-링 및 이중 Parback™ 링 밀봉 배열일 수 있다. Parback™은 파커 하나핀사(Paker Hannifin Corp)에 의해 보급되고 제조되는 윤곽 설계(contoured design)의 표준 고무 백-업 링이다. Parback™ 링은 동적 및 정적 밀봉 애플리케이션들에 사용되도록 의도된다. 이중 작동(double acting) 밀봉 배열들에 있어, Parback™ 링이 O-링의 양쪽 면들 모두에 위치된다. O-링의 각각의 면 상에 Parback™ 링을 지정함으로써, 그것이 요구되는 저압 면 상에 하나가 존재할 것이며, 추가 Parback™ 링은 해를 끼치지 않는다. 분출-방지 디바이스들로서의 그들의 이점들 이외에, Parback™ 링들은 O-링을 보존하고 마찰을 감소시키는 트랩 윤활유를 보조한다.
경고 트랜스듀서(342)는 내부 밀봉부(430)와 가스 이송 라인(220) 사이에 위치될 수 있다. 페일-세이프 트랜스듀서(344)는 내부 밀봉부(430)와 중간 밀봉부(420) 사이에 위치될 수 있다. 경보 트랜스듀서가 가스 이송 라인에 더 가깝고 페일-세이프 트랜스듀서(344)에 앞서 압력의 변화를 검출할 것이기 때문에 경고 트랜스듀서(342)가 페일-세이프 트랜스듀서(344)에 앞서 트리거(trigger)될 것이다. 더 심각한 파열이 또한 페일-세이프 트랜스듀서(344)를 트리거할 수 있다. 트랜스듀서들(342, 344) 중 하나가 안전 임계 이상의 판독결과들을 릴레이하는 경우, 제어 박스(324)는 추가적인 가스의 누출을 방지하기 위해 모든 관련된 차단 밸브들을 폐쇄함으로써 즉각적인 방지 액션을 취할 수 있다. 실시예들이 이러한 예에 한정되지 않는다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 후방 단부 밀봉 캡(350)의 단면도를 예시한다. 후방 단부 밀봉 캡(350)은, 더 높은 전위에 있는 그것의 전도성 목적지 가스 이송 라인(237)과의 동작 커플링에 기인하여 더 높은 전위로 유지된다. 전방 단부 밀봉 캡(340)에 대한 것과 마찬가지로, 후방 단부 밀봉 캡(350)이 파열시 압력 용량을 증가시키는 다중 중복 밀봉 배열로 구성될 수 있다. 예를 들어, 외부 밀봉부(410)가 전방 단부 밀봉 캡(340)의 외부 케이스일 수 있다. 중간 밀봉부(420)는 표준 O-링일 수 있다. 내부 밀봉부(430) 또한 O-링 및 이중 Parback™ 링 밀봉 배열일 수 있다.
가스 이송 시스템(100)은, 전형적으로 산업적 사용을 위해, 소스 컨테이너 유사 가스 탱크(204)로부터 상당한 거리에 걸친 목적지 장비까지 소정의 거리에 걸쳐 가스를 이송하도록 동작할 수 있다. 더욱이, 어떤 지점에서, 소스 가스 이송 라인(220)이 대지 접지 전위로부터 더 높은 전압 전위 환경으로 스위칭할 것이다. 가스를 이송하는 것과 연관된 일반적인 위험들에 더하여, 이러한 전압 전위를 브리징하는 것이 위험할 수 있다. 동작시, 가스 이송 시스템(100)은 복수의 중복 안전 디바이스들을 포함할 수 있으며, 임의의 누설이 최대한 빨리 검출되고 그에 따라 처리되는 것을 보장하도록 제어한다. 예를 들어, 소스 가스 이송 라인(220)은 이중 벽 스테인리스 강 구성일 수 있으며, 그 안에서 내부 벽에 의해 규정(define)되는 튜브가 가스를 운반하고, 내부 벽에 의해 규정된 튜브를 둘러싸는 외부 벽에 의해 규정되는 튜브가 질소를 운반한다. 예를 들어, 외부 튜브(221)의 내부 직경과 내부 튜브(219)의 외부 직경 사이의 간극(gap)이 질소로 채워질 수 있고, 시각적 및 전기적 피드백 둘 모두를 제공할 수 있는 압력 모니터링 게이지(222)를 사용하여 모니터링되고 캐핑(cap)될 수 있다. 네거티브(negative) 압력 및 포지티브(positive) 압력 둘 모두에서, 파열이 발생하는 경우, 압력 모니터링 게이지(222)가 압력 변화를 감지하고 잠재적인 문제를 소프트웨어로 경보할 수 있다.
조절기(206)는 가스 및 질소 튜브들 각각 내의 압력을 모니터링하며, 제어 박스(224)에 전기적으로 연결된다. 복수의 차단 밸브들(210, 226), 질소 압력 모니터링 게이지(222), 압력 트랜스듀서들(228, 230), 및 유량계(232)가 누설 검출시 소스 가스 이송 라인(220)을 폐쇄하기 위해 제어 박스에 의해 제어될 수 있다. 누출시 배출 경로(216) 및 차단 밸브(212)가 소스 가스 이송 라인(220)의 방향을 러핑 펌프(214)로 그리고 안전하게 배기 시스템으로 밖으로 경로를 변경할 수 있다.
정상 동작시, 소스 가스 이송 라인(220)을 통해 이송되는 가스가 소스 가스 이송 라인(220)과 패시브 분리 어셈블리(234)의 전방 단부 밀봉 캡(340) 사이의 커플링을 통해 패시브 분리 어셈블리(234)에 도달할 것이다. 소스 가스 이송 라인(220) 및 전방 단부 밀봉 캡(340) 둘 모두가 전도성이며 대지 접지 전위이다. 패시브 분리 어셈블리(234)는 또한 전도성이고 더 높은 전위인 후방 단부 밀봉 캡(340)을 포함한다. 비-전도성 이송 절연체(310)가 상이한 전압 전위들에 있는 전방 및 후방 단부 밀봉 캡들 사이의 간극에 걸쳐 가스를 운반한다. 이송 절연체(310)는 불규칙한 형상의 열가소성 수지 분리 트래킹 절연체(320)에 의해 둘러싸인다. 패시브 분리 어셈블리(234)는, 파셴 이벤트들이 없는 환경에서, 대지 접지 전위 소스 측으로부터 고 전압 전위 장비 측으로 안전하게 가스를 브리징하는데 기여한다.
본 명세서에서 설명된 실시예들은 현재 기술들을 뛰어 넘는 몇몇 이점들을 제공한다. 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 실시예들은 파셴 이벤트가 발생할 염려 없이 대지 접지 전위로부터 100kV 또는 그 이상의 전위로 불활성 및 유독 가스들 둘 모두를 안전하게 브리징할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 설명된 기술들 및 디바이스들이 고 전압 소스들을 사용하며 과도한 로컬 가스 탱크 변경들에 기인하는 정지 시간을 감소시키기를 희망하는 장비 및 애플리케이션들에 대해 이상적이다. 이는, 본 명세서에서 설명된 기술들 및 디바이스들이 더 큰 집중화된 가스 이송 시스템과 함께 사용될 수 있으며 작업 공간 전체에 걸쳐 로컬 가스 탱크들의 존재에 의존하지 않기 때문이다. 이러한 두 가지 점들이 폐쇄된 환경에서 다수의 가스 탱크 변경을 회피함으로써 상당한 안전성 개선들 및 추가적인 작업 공간을 생성한다. 가스 이송 시스템의 전체에 걸친 다수의 중복 안전 차단 밸브들 및 배기 경로들이 인원에게 향상된 안전성을 추가로 제공한다.
이는 장비를 계속해서 구동하기 위해 복수의 가스 탱크 변경들을 요구하는 전술된 복수의 로컬 가스 탱크들을 포함하는 종래의 기술들과 대조적이다. 가스 탱크가 변경될 때마다, 작업 영역 내로 도입되는 위험 요소가 존재한다. 로우(low) 대 하이(high) 전위 간극을 브리징하는 다른 시도들은 위험할 수 있는 훨씬 더 높은 압력들을 사용하는 것을 수반하였다. 다른 기술들은 저 전위 및 고 전위들 사이의 가스 스트림 간극에 외부 매체를 도입하며, 이는 가속 거리를 감소시키는 효과를 가질 수 있지만 파셴 이벤트 및 아발란치 항복을 방지하지 못할 수 있다.
본 발명이 특정 실시예들을 참조하여 개시되었지만, 개시된 실시예에 대한 다양한 수정예들, 변형예들 및 변경들이 첨부된 청구항들에 정의되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 가능하다. 따라서, 본 발명은 설명된 실시예들에 한정되도록 의도되지 않으며, 다음의 청구항들 및 그 등가물들에 의해 정의되는 완전한 범위를 갖는다.

Claims (18)

  1. 제 1 압력의 저 전위 환경으로부터 제 2 압력의 고 전위 환경으로 가스를 브리징(bridge)하기 위한 패시브 분리 어셈블리(passive isolation assembly)로서,
    로드(rod)의 길이까지 연장하는 중심 축방향 보어(bore)를 갖는 가늘고 긴 로드로 구성되는 비-전도성 이송 절연체;
    상기 이송 절연체와 집적 접촉하며 이를 둘러싸는 비-전도성 분리 트래킹(tracking) 절연체로서, 상기 분리 트래킹 절연체는 상기 분리 트래킹 절연체의 외측 직경의 트래킹 길이를 증가시키는 불규칙한 형상을 갖는, 상기 비-전도성 분리 트래킹 절연체;
    대지 접지 전위(earth ground potential)의 전기 전도성 전방 단부 밀봉 캡으로서, 상기 전방 단부 밀봉 캡은 소스 가스 이송 라인과 결합되도록 적응된 개구를 갖는, 상기 전기 전도성 전방 단부 밀봉 캡; 및
    고 전압 전위의 전기 전도성 후방 단부 밀봉 캡으로서, 상기 후방 단부 밀봉 캡은 목적지 가스 이송 라인과 결합되도록 적응된 개구를 갖는, 상기 전기 전도성 후방 단부 밀봉 캡을 포함하며,
    상기 전방 단부 밀봉 캡으로부터 상기 후방 단부 밀봉 캡까지의 거리는, 가스가 상기 이송 절연체의 상기 축방향 보어를 통해 가로질러 흐를 수 있는 상이한 전압 전위들의 전도체들 사이의 간극(gap)을 규정(define)하는, 패시브 분리 어셈블리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이송 절연체는 파열하지 않고 60 토르 내지 3500+ psi 사이의 압력들을 견딜 수 있는, 패시브 분리 어셈블리.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이송 절연체는 석영인, 패시브 분리 어셈블리.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 이송 절연체는 붕규산염(borosilicate)인, 패시브 분리 어셈블리.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 이송 절연체는 유리인, 패시브 분리 어셈블리.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리 트래킹 절연체는 열가소성 수지(thermoplastic) 재료인, 패시브 분리 어셈블리.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 열가소성 수지 재료는 폴리에테르이미드(polyetherimide: PEI)인, 패시브 분리 어셈블리.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 열가소성 수지 재료는 폴리에테르 에테르 케톤(polyether ether ketone: PEEK)인, 패시브 분리 어셈블리.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 열가소성 수지 재료는 클로르화 폴리비닐 클로라이드(chlorinated polyvinyl chloride: CPVC)인, 패시브 분리 어셈블리.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전방 단부 밀봉 캡 및 상기 후방 단부 밀봉 캡의 전도성 재료는 스테인리스 강인, 패시브 분리 어셈블리.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 전방 단부 밀봉 캡 및 후방 단부 밀봉 캡은 복수의 밀봉형 벽 챔버(sealed walled chamber)들을 더 포함하는, 패시브 분리 어셈블리.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 전방 단부 밀봉 캡은 상기 전방 단부 밀봉 캡 내의 압력을 측정하기 위한 하나 이상의 트랜스듀서(transducer)들을 더 포함하는, 패시브 분리 어셈블리.
  13. 제 1 압력의 저 전위 환경으로부터 제 2 압력의 고 전위 환경으로 가스를 브리징하기 위한 가스 이송 시스템으로서,
    대지 접지 전위의 소스 가스 탱크;
    상기 가스 이송 시스템을 통한 가스의 흐름을 모니터링하고 제어하기 위한 제어 박스;
    대지 접지 전위의 일 단부 상의 전도성 지점(point)으로부터 더 높은 전압 전위의 다른 단부 상의 전도성 지점까지의 상기 가스의 흐름을 허용하기 위한 대향 단부들을 갖는 패시브 분리 어셈블리;
    대지 접지 전위의 상기 패시브 분리 어셈블리의 상기 단부에서 상기 소스 가스 탱크와 상기 패시브 분리 어셈블리 사이에 결합되는 전도성 소스 가스 이송 라인; 및
    상기 더 높은 전위의 상기 패시브 분리 어셈블리의 상기 단부에서 상기 패시브 분리 어셈블리에 결합되는 전도성 목적지 가스 이송 라인을 포함하는, 가스 이송 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 패시브 분리 어셈블리는:
    로드의 길이까지 연장하는 중심 축방향 보어를 갖는 가늘고 긴 로드로 구성되는 비-전도성 이송 절연체;
    상기 이송 절연체와 집적 접촉하며 이를 둘러싸는 비-전도성 분리 트래킹 절연체로서, 상기 분리 트래킹 절연체는 상기 분리 트래킹 절연체의 외측 직경의 트래킹 길이를 증가시키는 불규칙한 형상을 갖는, 상기 비-전도성 분리 트래킹 절연체;
    대지 접지 전위의 전기 전도성 전방 단부 밀봉 캡으로서, 상기 전방 단부 밀봉 캡은 소스 가스 이송 라인과 결합되도록 적응된 개구를 갖는, 상기 전기 전도성 전방 단부 밀봉 캡; 및
    고 전압 전위의 전기 전도성 후방 단부 밀봉 캡으로서, 상기 후방 단부 밀봉 캡은 상기 목적지 가스 이송 라인과 결합되도록 적응된 개구를 갖는, 상기 전기 전도성 후방 단부 밀봉 캡을 포함하며,
    상기 전방 단부 밀봉 캡으로부터 상기 후방 단부 밀봉 캡까지의 거리는, 가스가 상기 이송 절연체의 상기 축방향 보어를 통해 가로질러 흐를 수 있는 상이한 전압 전위들의 전도체들 사이의 간극을 규정하는, 가스 이송 시스템.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 이송 절연체는 파열하지 않고 60 토르 내지 3500+ psi 사이의 압력들을 견딜 수 있는, 가스 이송 시스템.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 분리 트래킹 절연체는: 폴리에테르이미드(polyetherimide: PEI), 폴리에테르 에테르 케톤(polyether ether ketone: PEEK), 또는 클로르화 폴리비닐 클로라이드(chlorinated polyvinyl chloride: CPVC) 중 하나로 구성되는 열가소성 수지 재료인, 가스 이송 시스템.
  17. 청구항 13에 있어서,
    상기 전방 단부 밀봉 캡 및 후방 단부 밀봉 캡은 복수의 밀봉형 벽 챔버들을 더 포함하는, 가스 이송 시스템.
  18. 청구항 13에 있어서,
    상기 전방 단부 밀봉 캡은 상기 전방 단부 밀봉 캡 내의 압력을 측정하기 위한 하나 이상의 트랜스듀서들을 더 포함하는, 가스 이송 시스템.
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