TWI261529B - Built in purifier for reactive gases - Google Patents

Description

1261529 九、發明說明： 發明所屬之技術領域 本發明是容納和分配高純流體的裝置。許多應用場合要 未高純流體（氣體和液體）從容器（例如，罐和瓶）中輪 送。這種高純流體通常用於處理電子、光學、醫藥和化學 產品。

先前技術 在有t it况下，有利的做法是在這些流體從所述容器中 排出時對其進行純化，尤其是由於在這些容器中貯存常常 會隨著時間的推移而在流體中引人雜f。彳以將流體通過 諸如吸附劑、吸氣劑或過濾器的純化介質實現純化。 貝現純化的有用方法是在包含流體的容器内部設置含 有純化介質的内容器；該内容器的入口和外容器的内部體 積通過流體通道連接。 但是’有些純化介質具有自相矛盾的能力，就是會在它 們要純化的流體中加入污染物。一個特別例子是純化介質 充當被純化流體的分解催化劑的情況。 在許多情況下，分解發生的速率隨著流體壓力單調增 加’尤其在該流體是可壓縮的（即當它是氣體時）情況。 在不同例子中，已知有些介質會緩慢地浸析或脫附污染 物到流體中。 通過本發明解決了這些問題，其中對和内容器裏的純化 介質直接接觸的少量流體的污染是可以容忍的，只要這種 5 1261529 污染被最小化而且不允許擴散或通過复 、W，、他方法混入外容器 貯存的流體主體中。例如，採用本於明， +〜明，可以在將容器中 的流體用到要求高純的應用場合之前，簡單地排出内容器 中的少量被污染的流體。下面開始詳細描述本發明的這些 以及其他優點。 發明内容

本發明是用於容納和分配高純流體的裝置，包含能夠在 其内部容納大量高純流體的外容器；和外容器相連以分配 該高純流體的出Π ;能夠控制高純流體通過出口流出外容 器的閥門 出π 至少部分設置在外容器襄的内容器，它和 包含在内容器裏 連接，並具有和外容器内部連接的入 的純化介f ’用於對高純流體中的不希望有的成分進行純 化；流體流動控制設冑，用卩防止高純流體從内容器流到 外容器的内部。 實施方式 高純NO、ASH3、PH3和氣體目前用於電子行業。 有利的做法是，在工業氣瓶出口内置純化器以除去這些氣 體中的關鍵雜質，如金屬、ΚΟ、酸、C0和c〇2。但是， 這些亂體在幾乎任何吸附劑存在時都緩慢分解（叩㈤量 級）彳疋而污木整個氣瓶的氣體。本發明是對該内置純化器 設计在设備上的改進。在内置純化器管的入口（在氣瓶内） 增加了止回間’使得在内置純化器管中形成的分解產物不 6 1261529 能逆流回污染氣瓶裏的氣體。氣體的分解產物在流量第一 次增加期間被排出。 更具體的，本發明是出料口純化系統，其中含有純化介 質的内容器和含有流體的外容器的内部通過流體通道連 接’所述内谷裔含有某種形態的純化介質，流體在通過内 容恭和外容為而被分配到使用點之前先通過内容器；改進 之處在於，在和外容器内部連接的内容器的入口處裝有設 備或流體流動控制設備，以防止從内容器逆流回外容器的 内部。该流體流動控制設備可以任選地用於降低内容器裏 的流體相對外容器内部裏的流體的壓力。 本發明通過在内容器的上游安裝流體流動控制設備，如 止回閥或類似設備，防止受到污染的流體逆流後混入貯存 在外容器内部的流體主體，提供了避免從整體式内容器純 化器逆流污染的方法。本發明的第二特徵是降低内容器裏 的流體相對外容器内部的流體的壓力。這種壓力降低，尤 其是當流體是可壓縮時，例如在氣體的情況下，會減少和 純化介質接觸的流體的密度，從而減少有被污染可能的流 體總量並在某些情況下降低導致污染的分解或浸析速率。 本發明的優選實施方案如圖丨所示。在該設備中，外容 為10可以疋任何適於容納將分配的流體的容器。對液體而 言’該容器可以是任何封閉容器；例如：壺、桶、壇、圓 筒、瓶子等等。如果分配的流體是壓縮氣體，那麼該容器 應該是被認可用於貯存和運輸氣體的容器，典型形式為工 業氣瓶，雖然也可以採用球形和其他形式。外容器10的尺 7 1261529 寸可以為約200mL〜約600L，雖然可以考慮更大的容器。 外容器1 〇可以用任何和其中容納的流體相容的材料製 成。當用於電子材料時，内部可以電拋光，用碳鋼、不銹 鋼、銘、鎳、蒙乃爾（Monel)合金製成或者任何上述材料並 加上保護内襯製成。 内容器9也必須具有出口 4，從中分配純化後的流體。 該出口連接優選使用閥元件3進行密封。如圖1所示，該 閥元件3連接到内容器9的出口 4。内容9可以通過任何 本領域已知的方法，比如焊接、硬焊、焊接或者通過任何 本領域已知的螺紋連接、襯墊連接或壓縮配合連接，連接 到該閥元件3上。優選該閥元件3進一步具有密封外容器 10的功能。閥元件3還優選提供第二填充路徑5，路徑5 通過閥2的操作可以用於分配純化後的流體，路徑5是出 口 4的流動路徑的旁通管，其中優選通過蓋丨保護閥2不 受撞擊。 内容器9優選具有至少一個與閥元件3相鄰的多孔元件 6 ’以防任何其他純化介質7或被純化後的流體攜帶的從中 排出的顆粒的釋放。最優選地，該多孔元件採取的是焊接 到或者通過其他方法牢固固定到内容器出口的燒結金屬罩 (過渡罩）的形式，或者是遽網、玻璃棉、薄膜或本領域 已知的類似過濾裝置的形式。 内容器9包含顆粒、多孔複合體或填料形式的純化介質 7 ’用於從外容器H)内部所包含的流體中吸著、吸附、吸 收、吸氣、枯合或過滤非理想試劑或雜質。内容器9至少 8 1261529 一 部分被包含在外容器ι〇裏。優選地，内容器9被完全包含 在外谷器10的内部’共用出口 4。内容器9含有一種或夕 種下列純化介質：吸附劑（例如，沸石、碳、氧化無、紹 石夕酸鹽、石夕膠、氧化鎭、fluorisil、交聯的微孔聚合物、硫 酸鎂）、吸氣劑（例如，諸如碳負載鋰、碳負载鋇、氧化鋁 負載鋼的負載金屬，吸水劑，也即乾燥劑，諸如碳負載氯 化鎂、氧化鋁負載氯化鎂、碳負載溴化鎂）、催化劑（例如， 鋁負載鎳、碳負載鈀）或者濾料（例如多孔聚丙烯、多孔 聚四氟乙烯）、不銹鋼網、燒結鎳、燒結不銹鋼、多孔氧化 鋁）。這些介質能夠發生無意地或不希望地相互作用、反應 或催化高純流體的分解，導致在純化介質中的高純流體^ 出現某種形式的污染物或雜質，尤其在高壓情況下或者長 時間停留的情況下，比如當閥元件關閉讓外容器處於非分 配模式時。 内容器9有至少一個入口 12，包含在外容器1〇的内 φ部。流體流動控制設備11，在該例中是止回閥，位於外容 器10内部的流體中内容器9的入口 12的位置，用以防止 或有效減少流體從内容器9流回外容器1〇的内部，並且基 本上不阻礙流體沿著出口 4的方向流動，以將來自外容器 1 〇的内部和内容器9的流體進行分配。本領域公知有許多 這種流體流動控制設備U可以實現這種流動整流；這些設 備通常稱作止回閥。 一種最簡單類型的止回閥是瓣閥型設備13，如圖2八和 2B所不意’其中沿著出口 4方向流動時（從外容器丨〇的 9 1261529 4)將柔性閥瓣從流體通道移 内部通過内容器9流向出 此時由於反向 遮住並阻塞了 開，從而允許流動，但是反向流動被制止， 流自身壓力或外力（例如重力或彈性），閥瓣 流體流動的通道。 其他具有流體流動控制設備功能的裝置包括彈菁載入 提升閥·»又備。圖3給出了提升閥型止回閥，其中彈簧上$將 提升閥14壓向基座16防止流動’直到具有足夠壓力差， •產生作用在提升間上足以克服彈簧力的力並使彈簧能夠從 基座上移開從而允許流動。這種設備不僅偏向一個方向的 μ動而且可以使得這種提升閥型止回閥的下游流體壓力 通常比上游壓力小一定的值。 施加在提升閥型止回閥彈簧上的力可以調節，使其只在 外‘容器和内容器之間存在預定壓力差時打開。該打開或 裂開壓力可以優選設為約〇.33psig〜約I450psig ( 0.023 〜lOObar)，最優選範圍是 i 45psig〜145psig (〇」 •〜1〇bar)。雖然通常有某種滯後（即，打開壓力差通常大 於提升閥自身再封壓力差），但是這種設備會確保内容器壓 力通#比外谷器壓力小幾乎固定的值。這種佈置有幾個潛 在優點： ❿和純化介質7接觸的流體總量降低； 籲在純化介質7上的分解速率下降； 鲁在純化介質7上的非選擇吸附下降； 籲提供“根氣”不通過純化器9 ; •容易將活化的純化器9安裝到外容器丨0裏；和 10 1261529 *減少流體在内容器9裏液化的可能性。 最後一點很重要。在流體是液體並且在其自身蒸汽壓下 貯存的情況下，至少在它被外容器1〇中的液體包圍的時候 内容器9將被液體填充。通過適當選擇壓降，可能確保嗲 流體只能以氣體相存在於内容器9中。許多純化介質，= 吸附劑、濾料和吸氣劑，在氣相流體狀態下工作更有效， 這是因為氣相時粘度低使得物質傳輸限下降。而且，有此 液體能夠通過溶解或腐蝕使某介質退化，而當同樣材料以 蒸汽形式和這些介質接觸時就不會發生。 任選地，諸如止回閥的流體流動控制設備8可以正好置 於内容器9和閥元件3之間，以防純化介f 7在使用時的 回流污染。如果採用的是具有足肖“裂開”壓力的止回閱 8,那麼止回閥位於内容器9的兩端，從而保護介質7在操 作和組裝時不會有流體進入。 μ

參見圖1，在正常操作睥，、、六舻七人—〜 Φ作W崎，々丨L體包含在外容器1 0的内 部。可以貯存在外容器10 Φ的、、六驊从如1 A， 丄υ甲的流體的例子包括：一氧化 碳、氮氧化物、矽烷、砷彳卜-_ 7 m卩W T化二虱、乙硼烷、三氫化磷、二 氣秒烧、二氣碎烧和許多並仙、、古辨 、士 νϊ* — Ι3Α 1 7丹他流體。延些流體通過獨立填 充路徑5被裝入外容器1〇。盔 、 υ為了初始運輸和貯存，可以用 不同的優選惰性的流體來保持内容器9的壓力豆"不 同流體可以很容易去除或者不會構成有害雜質。這種流體 的例子包括氦、氬、四氟甲护名每 亂〒烷和虱，雖然可以預期許多其 他的。由於在内容器9和外交哭】η认出如 a ’、 々外谷态10的内部之間具有止回閥 11，該惰性流體不會回流以π 、一、九^ &丄 〃丨L M可能〉可染包含在外容器10中的 1261529 …々'L體。而且，通過確保内容器9含有的該惰性流體的壓力 比外容器10中的流體壓力低而且差值不超過止回閥的裂 開壓力，幾乎沒有或沒有流體從外容器10流進内容器9， 直到客戶閥（customer valve ) 3打開為止。 客戶閥3打開後，惰性流體的壓力被釋放，需要時可以 排除到廢物系統中。一旦由於從出口連接4開始（例如， CGA或DISS連接）的流動而導致内容器9中的壓力下降， 那麼位於外容器10和内容器9之間的止回閥u打開，允 ’許流體通過純化介質7。 一旦初始流動發生了，那麼一些希望的處理流體通常被 暴露到純化介質7中。只要流動繼續，内容器9的介質7 就對流體進行純化，並通過閥元件3將其輸送給用戶。或 者通過關閉客戶閥3或者通過在出口連接4的下游某處阻 斷連接，當流體流動停止時，由於暴露到純化介質7中流 體開始收集污染物。這些污染物隨著時間累積，可能需要 φ 在重新啟動向終端—使用處理流動之前，將少量流體排出 到廢物處理系統中，前提是該系統很長的時間沒有流動。 但疋’在此過程需要浪費的流體量僅僅需要比内容器9中 所含總量稍多。如果由於使用止回閥8減少了内容器9中 流體的壓力以及相應的密度，那麼浪費的流體量可以顯著 減少。 由於沒有流體從内容器9回流或者擴散回外容器的 内部，所以由於處理流體長時間暴露在純化介質7而生成 的污染物不會和外容器10内部所含的流體主體混合。這個 12 1261529 —事貝使侍獲取從這種系統輸送的高純流體變得可能，因為 由於暴路在純化介質7而產生的雜質典型不能通過同一介 貝7有效地去除。通過將所有這種分解或濾析類型的污染 物限定在内容器9中的有限流體總量中，可以通過從外容 為1 〇内部流出新鮮流體而將這些污染物從内容器9中清 除。本裝置可以方便地允許輸送純化後的流體，該流體基 本上沒有由於暴露於内容器9中所含活性純化介質7而退 化。 本發明進一步的優點在於内止回閥i i防止操作人員減 >在外容器10中的氣體或液化氣體到某壓力下，該壓力由 止回閥11的裂開壓力決定。在此壓力下保留在外容器工〇 中的氣體或流體量稱作“根氣，，。在某些情況下，有利的 做法是將根氣留在外容器10中，並在下一次流體充填之前 從旁路閥2中排除。這對液化氣體例如HC1或s〇2而言尤 其正確’這種情況下由於蒸汽壓較低的污染物（水）從外 _ 容器W的内壁脫附，使得雜質含量在低於所需氣體蒸汽壓 的壓力下成指數增加。雖然内容器9中的介質7能夠去除 运些雜質’但暴露在極而量級下也會限制内容器9中的純 化介質7的壽命。這是一個優點，因為在内容器9中的純 化介質7需要再生或者替換之前，理論上外容器可以重 新充填氣體或流體2〜1 〇〇次。 如上所述’内容器9中的介質7可以是沸石、矽酸鹽、 碳或其他在用於純化前可以要求活化的材料。活化可以涉 及用惰性氣體（N2、Ar、He等）在環境溫度或優選高溫下 13 1261529 … 清洗，或者置於低壓優選高溫下活化。本發明設計的一個 優點是内容器9上的止回閥8允許將純化介質7隔離在止 回閥8和客戶閥3之間。這樣防止活化後的純化介質7在 活化後並在組裴到外容器1 〇之前，暴露在空氣中或其他可 能鈍化的環境中。還防止環境暴露於可能有害的氣體中， 5玄有害氣體源於設備停止使用或拆卸過程中的解吸。 尺寸大約為1.9x5〇cm( 〇·75，，χ2〇,〇的316L不銹鋼管， 每端都有配件，一端還裝有多孔不銹鋼過濾罩，該過濾 罩連接在圖1所示類型的雙埠（)閥組件上。通 過敞開的底部在該不銹鋼管中填入大約7〇克3 A分子篩吸 附劑。在該不錄鋼管的底部設置有不錄鋼燒結盤襯塾，以 防吸附劑脫離。隨後，將該不錢鋼管底部連到額定裂開壓 力為15pS1g的止回閥上，該閥可以從構買（型 )，流動方向箭頭指向填有吸附 劑的不銹鋼管。將兮 > μ不銹鋼官放在烘箱裏，並將止回閥的 入口連到乾燥氮氣源。 枉，從客戶閥溢出，此時…止回閥，進入分子筛 隨後關齡… 此時该不銹鋼管在20(TC加熱16小時。 虹後關斷虱氣流並 τ 和氮氣源斷開，採二 該不錄鋼管和間元件隨後 充當圖！所示的外容:紋女裝入飢鋼壓縮氣瓶，該氣瓶 和旁路間打開。—曰：：DISS閥出口設置成真空，客戶閥 閉客戶閥，通過套⑨^和吸附劑介質被充分排空時，關 通過旁路閱向外部氣瓶充入氨氣直到35* 14 1261529 (5 1 5psig ) ° 對貝施例1中的氣瓶進行性能測試： 將貝施例1製備的氣瓶連接到配有數位壓力感測器 二級調節器上’再接上MKS品質流量控制器（控制範二 〜18slpm)。氦氣以丨〜⑻^ #不同流動速率流過客 閥。定期關斷流動，通過下述程式記錄客戶間和旁 步驟1 :打開客戶閥；

V驟2冑M質流1控制器設為所需流動速率； 步驟3 :打開調節器閥； 步驟4 :氦氣流通1〜丨〇分鐘； 步驟5 :關閉調節器閥，使流動速率為Q ; 步驟6 :記錄壓力； 步驟7 :打開旁路閥； 步驟8 :記錄壓力； 步驟9 :關閉旁路閥； 步驟10 :從步驟2開始重複。 如圖4所示，共採集24個試樣，旁路閥和客戶閥 的平均壓差為㈣.⑽心⑴·5psig±2.3psig)。: 且’在24小時内，壓差沒有發生可以能測量出來的變化。 該測試結果證㈣元件在典型操作條件下如地進行工 作’沒有明顯的從内容器向外容器的流體（壓力 。 本發明通過特定實施方案進行 ' 示适订i a兄明，但本發明的全 部範圍應該由如下申請專利範圍確定。 1261529 圖式簡單說明 圖疋本I日月的實施方案的橫截面示意圖。 圖 2A 和 + 疋本發明的流體流動控制設備的 意圖。 切戴面示 圖3疋本發明的流體流動控制設備的具體實施方案的 橫截面圖。 4 |^| .丁· ** 小j在本發明的流體流動控制設備下游測量的 壓力和通過獨立埠測量的壓力，上述壓力是從配備有本發 明裝置的工業氣瓶中分配的氦氣的函數。 主要元件之符號說明 1 · _蓋’ 2. ·閥’ 3 · ·閥元件；4 ·.出口； 5 ·.路徑；6 ·.多孔元件， 7··純化介質；8··止回閥；9.·内容器；1〇·.外容器；U.·控制 5又備’ 12··入口； 13··瓣閥型設備；14··提升閥；15··彈簧； 1 6..基座

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Claims (1)

1261529 十、申請專利範圍： 1 · 一種用於容納和分配高純流體的裝置，包含在其内 口 p犯夠合納大量高純流體的外容器；和外容器相連以分配 。亥阿純流體的出口；能夠控制高純流體通過出口流出外容 的的閥元件，至少部分位於外容器内的内容器，它和該出 口連接，並具有和外容器内部連接的入口；包含在内容器 裏的純化介質’其用於純化高純流體中不希望有的組分； χ及防止回純流體從内容器流到外容器内部的流體流動控 — 制設備。 2如申請專利範圍第1項的裝置，其在該内容器和出 之間具有第二流體流動控制設備。 如申明專利範圍第丨項的裝置，其中所述流體流動 控制設備是止回閥。

4·如申請專利範圍第丄項的裝置，其在閥元件裏具有 =真充路徑’該獨立填充路徑具有控制流體從該獨立填 徑流過的閥。 其在内容器内靠近 如申凊專利範圍第1項的裝置 出口的位置具有多孔元件。 6·如申請專利範圍第 1項的裝置，其中該流體流動控 17