JP2015503709A - Automatic shut-off device - Google Patents
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Abstract
本発明は、ガス流を制限且つ隔離するように設計された制限流量オリフィス、ＲＦＯ、ディスク１０１を含む自動遮断装置を対象とする。ＲＦＯディスクは、システム故障に起因して生じる特定の圧力降下に応答して収縮するように設計される。故障が生じた時、ＲＦＯディスクは、排出流路を塞ぐ密閉された位置へと収縮する。このように、ＲＦＯディスクは、ディスクの上流のガスを閉じ込める自動遮断装置として機能する。The present invention is directed to an automatic shut-off device that includes a restricted flow orifice, RFO, disk 101 designed to restrict and isolate gas flow. RFO disks are designed to shrink in response to specific pressure drops that occur due to system failure. When a failure occurs, the RFO disk contracts to a sealed position that plugs the discharge flow path. Thus, the RFO disk functions as an automatic shut-off device that traps gas upstream of the disk.
Description
本発明は、正常動作条件下でガス流を制限することと、下流の破局的故障に応答してガス流を遮断することとを可能にする自動遮断装置に関する。 The present invention relates to an automatic shut-off device that allows to restrict gas flow under normal operating conditions and to shut off gas flow in response to a downstream catastrophic failure.
半導体製造などの産業処理製造用途には、典型的には、毒性、腐食性及び／又は可燃性の水素化ガス及びハロゲン化ガス、並びにそれらの混合物を取り扱う際の安全性が必要とされる。例として、半導体産業は、ウエハ処理のためにガス状の水素化物のシラン（ＳｉＨ４）、並びにアルシン（ＡｓＨ３）及びホスフィン（ＰＨ３）などの液化され圧縮されたガスに頼ることが多い。様々な半導体プロセスには、１０．３４ＭＰａＧ（１５００ｐｓｉｇ）と同じ程度の貯蔵圧力を有する容器からＳｉＨ４、ＡｓＨ３又はＰＨ３が利用される。それらの著しい有毒性及び高い蒸気圧に起因して、送出システム構成部品の故障、又はボンベ切り替え手順中の人的ミスによるこれらのガスの制御不能な放出は、破局的な結果につながる可能性がある。例えば、シランなどの可燃性ガスの放出によって、火災、システム損傷、及び／又は人身損害の可能性を引き起こす場合がある。アルシンなどの極めて有毒なガスの漏れは、結果として人身損害又は死亡にさえつながる場合がある。 Industrial processing manufacturing applications such as semiconductor manufacturing typically require safety when handling toxic, corrosive and / or flammable hydrogen and halogenated gases, and mixtures thereof. As an example, the semiconductor industry often relies on gaseous hydride silane (SiH 4 ) and liquefied and compressed gases such as arsine (AsH 3 ) and phosphine (PH 3 ) for wafer processing. Various semiconductor processes utilize SiH 4 , AsH 3, or PH 3 from a container having a storage pressure as high as 10.34 MPaG (1500 psig). Due to their significant toxicity and high vapor pressure, failure of delivery system components or uncontrolled release of these gases due to human error during the cylinder switching procedure can lead to catastrophic consequences. is there. For example, the release of a flammable gas such as silane may cause fire, system damage, and / or potential personal injury. Leaks of extremely toxic gases such as arsine can result in personal injury or even death.
シランは、有毒ガスが典型的にはどのように半導体産業によって使用されているかについての一つの実例である。シランは、約１０．３４ＭＰａＧ（１５００ｐｓｉｇ）以上で加圧容器内に気相生成物として貯蔵される。シランの１つの１４０グラム・ボンベでの漏れは、３．０５メートル（１０フィート）の高さの天井を有する２，７８７平方メートル（３０，０００平方フィート）の建物の全容積を、生命及び健康に直ちに危険を及ぼす（ＩＤＬＨ：Ｉｍｍｅｄｉａｔｅ Ｄａｎｇｅｒ ｔｏ Ｌｉｆｅ ａｎｄ Ｈｅａｌｔｈ）レベルまで汚染する可能性がある。漏れ速度が十分に大きい場合は、ＩＤＬＨレベルまでの汚染は数分内に生じる可能性があり、これはつまり、流出源近くの範囲で致命的な濃度レベルが長時間にわたって存在することになる。 Silane is one example of how toxic gases are typically used by the semiconductor industry. Silane is stored as a vapor phase product in a pressurized vessel at about 10.34 MPaG (1500 psig) or higher. A silane leak in one 140 gram bomb would save the entire volume of a 2,787 square meter (30,000 square foot) building with a 3.05 meter (10 foot) high ceiling to life and health. Immediate hazards (IDLH: Immediate Danger to Life and Health) can be contaminated. If the leak rate is sufficiently high, contamination to IDLH levels can occur within minutes, which means that fatal concentration levels will exist for extended periods in the vicinity of the spill source.
ガス及び液化され圧縮されたガスの高圧ボンベからの意図的でない放出に伴う安全上の問題に照らして、貯蔵及び送出を改良したいくつかの機械システムが設計且つ開発されているが、そういったシステムは非効率的なままである。例えば、現在のボンベ貯蔵及び送出ボンベによる故障に起因した毒ガスの放出速度は制御されるが、生産環境においてはＩＤＬＨレベルに達するまでの汚染濃度レベルを引き起こすほど、依然十分に高いレベルである。現在のシステムが放出速度を十分に低減させることができないことにより、半導体生産環境において、水素化ガス及びハロゲン化ガスを取り扱う際の安全性は向上していない。 In light of safety issues associated with unintentional release of gas and liquefied compressed gas from high pressure cylinders, several mechanical systems with improved storage and delivery have been designed and developed. It remains inefficient. For example, although the rate of toxic gas release due to failures due to current cylinder storage and delivery cylinders is controlled, it is still high enough to cause a contamination concentration level to reach the IDLH level in the production environment. The inability of the current system to sufficiently reduce the release rate has not improved safety when handling hydrogenated and halogenated gases in a semiconductor production environment.
また、ボンベ部分を取り囲む環境の安全性を確実にするためには、流量制限が適切でない場合があり得る。例えば、ガス・ボンベに関連する圧力調節器及びバルブといったボンベ構成部品の破局的なシステム故障、又は、下流のガス・ライン若しくは接続の故障発生時には、流れを完全に隔離する必要がある場合がある。このような故障に起因して毒ガスの流れを隔離することができないことで、危険な濃度レベルが大気へ放出されることもあり得る。 Moreover, in order to ensure the safety of the environment surrounding the cylinder part, the flow rate restriction may not be appropriate. For example, in the event of a catastrophic system failure of a cylinder component such as a pressure regulator and valve associated with a gas cylinder, or failure of a downstream gas line or connection, the flow may need to be completely isolated . The failure to isolate the poison gas flow due to such a failure can result in dangerous concentration levels being released to the atmosphere.
安全なレベルまで流れを適切に制限することと、予め定められた設定点の条件において流れを隔離することとの双方が可能であることが望ましい。本発明の他の態様は、明細書、図面、及び本願に添付の特許請求の範囲を検討することによって、当業者には明らかとなろう。 It would be desirable to be able to both properly limit the flow to a safe level and to isolate the flow at a predetermined set point condition. Other aspects of the invention will be apparent to those skilled in the art from consideration of the specification, drawings, and claims appended hereto.
本発明は、ガス流を隔離するための自動遮断装置を利用する。自動遮断装置は、制限流量オリフィス（ＲＦＯ：ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｖｅ ｆｌｏｗ ｏｒｉｆｉｃｅ）・ディスクを含む。説明するように、ＲＦＯディスクは、ディスクの所定の開口部又は孔を通るガスの流れが増すことに起因して、ディスク全体に生じる予め定められた圧力降下に応答して収縮するように設計される。ガスの流れが増すと、その結果、下流の破局的故障又は流れ制御の喪失が生じる場合がある。圧力降下によって、ＲＦＯディスクは、開放位置から、閉鎖位置及び密閉位置まで収縮し、それによって排出流路が塞がれるため、ガスはディスクを超えた下流には流れなくなる。このように、ＲＦＯディスクは、ディスクの上流にガスを閉じ込める。 The present invention utilizes an automatic shut-off device for isolating the gas flow. The automatic shut-off device includes a restrictive flow orifice (RFO) disk. As will be described, the RFO disc is designed to shrink in response to a predetermined pressure drop across the disc due to increased gas flow through a given opening or hole in the disc. The Increasing gas flow can result in downstream catastrophic failure or loss of flow control. Due to the pressure drop, the RFO disk contracts from the open position to the closed and sealed positions, thereby closing the exhaust flow path and preventing gas from flowing downstream beyond the disk. In this way, the RFO disk confines gas upstream of the disk.
本発明の第１の態様において、ガス排出流路から加圧ガスの流れを隔離するための自動遮断装置が提供される。当該装置は、第１の場所に配置された第１のエラストマー部材に対して所定位置で密閉された制限流量オリフィス・ディスクと、第２の場所に配置された第２のエラストマー部材であって、ディスクが弛緩状態にある時に、ディスク及び第２のエラストマー部材がガス排出流路への流路を形成する第２のエラストマー部材と、ディスクの厚さを通って伸張し、第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間に位置する１つ又は複数の開口部と、を含み、ディスクが弛緩状態にある時に、ガスをガス排出流路に導くように構成される流路へ、１つ又は複数の開口部を通ってガスが流れ、ディスクは、オリフィスからの流れの増加に起因した、ディスク全体の所定の圧力降下に応答して、弛緩状態から第２のエラストマー部材の方へ収縮し、且つ、ガス排出流路を密閉するために第２のエラストマー部材と係合するように構成される。 In a first aspect of the invention, an automatic shut-off device is provided for isolating a flow of pressurized gas from a gas discharge flow path. The apparatus includes a restricted flow orifice disc sealed in place with respect to a first elastomeric member disposed at a first location, and a second elastomeric member disposed at a second location, When the disk is in a relaxed state, the disk and the second elastomeric member form a flow path to the gas exhaust flow path; a second elastomeric member that extends through the thickness of the disk; One or more openings positioned between the second elastomeric member and one to a flow path configured to direct gas to the gas discharge flow path when the disk is in a relaxed state. Alternatively, gas flows through the plurality of openings and the disc converges from the relaxed state toward the second elastomeric member in response to a predetermined pressure drop across the disc due to increased flow from the orifice. And, and configured to engage the second elastomeric member to seal the gas discharge channel.
本発明の第２の態様において、ガス排出流路から加圧ガスの流れを隔離するための自動遮断装置が提供される。当該装置は、第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間で静止状態に保持される制限流量オリフィス・ディスクであって、当該ディスクの周辺が第１のエラストマー部材に対して密閉されて、当該周辺のガスの流れを防止する制限流量オリフィス・ディスクと、ディスクの上面に沿って配置され、第１のエラストマー部材の内方へ径方向に配置された第２のエラストマー部材であって、ディスクが弛緩状態にある時に、ディスク及び第２のエラストマー部材がガス排出流路への流路を形成する第２のエラストマー部材と、ディスクの厚さを通って伸張し、第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間に位置する１つ又は複数の開口部と、を含み、ディスクが弛緩状態にある時に、ガスを排出流路へと第２のエラストマー部材を超えて内方へ径方向に導くように構成される流路へ、１つ又は複数の開口部を通ってガスが流れ、ディスクは、ディスク全体の所定の圧力降下に応答して、弛緩状態から第２のエラストマー部材の方へ収縮して、ガス排出流路を密閉するように構成される。 In a second aspect of the invention, an automatic shut-off device is provided for isolating the flow of pressurized gas from the gas discharge flow path. The apparatus is a limited flow orifice disc that is held stationary between a first elastomeric member and a second elastomeric member, the periphery of the disc being sealed to the first elastomeric member. A limited flow orifice disk that prevents the flow of gas in the surrounding area, and a second elastomeric member disposed along the top surface of the disk and radially inward of the first elastomeric member, When the disk is in a relaxed state, the disk and the second elastomeric member form a flow path to the gas exhaust flow path; a second elastomeric member that extends through the thickness of the disk; One or more openings positioned between the second elastomeric member, and when the disk is in a relaxed state, the gas is discharged into the discharge flow path. Gas flows through one or more openings into a flow path configured to be directed radially inwardly beyond the mer member, and the disk is responsive to a predetermined pressure drop across the disk; It is configured to shrink from the relaxed state toward the second elastomer member to seal the gas discharge channel.
本発明の第３の態様において、加圧したボンベ内のガスの流れを隔離するためのシステムが提供される。当該システムは、加圧ガスを保持するボンベと、ボンベの上部分に取り付けられたバルブ本体によって一部画定されたガス排出路であって、前記バルブ本体は、バルブを通る流路が塞がれた閉鎖位置から開放位置に移動することによって、ガスがバルブ本体を流れることが可能になるように構成された密閉部材を含有する、ガス排出路と、バルブ本体の密閉部材の上流に配置された制限流量オリフィス・ディスクであって、前記ディスクは、第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間に取り付けられ、第１のエラストマー部材はディスク周辺に沿って配置され、第２のエラストマー部材は、第２のエラストマー部材の内方へ径方向に、且つ、ディスクの上面に沿って配置される、制限流量オリフィス・ディスクと、第２のエラストマー部材及びディスクの上面によって画定される流路であって、ディスクが弛緩状態にある時にガスをガス排出流路へ導くように構成された流路と、ディスクの厚さに沿って伸張し、第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間に位置する１つ又は複数の開口部であって、流路への入口を形成する１つ又は複数の開口部と、を含み、前記ディスクが、弛緩状態から第２のエラストマー部材の方へと収縮することによってガス排出路を密閉するように構成され、その密閉によって、排出路を通るガスの流れが防止される。 In a third aspect of the invention, a system is provided for isolating gas flow in a pressurized cylinder. The system is a gas discharge passage partially defined by a cylinder holding pressurized gas and a valve body attached to the upper part of the cylinder, and the valve body is blocked by a flow path through the valve. A gas exhaust passage containing a sealing member configured to allow gas to flow through the valve body by moving from the closed position to the open position, and disposed upstream of the valve body sealing member A restricted flow orifice disk, wherein the disk is mounted between a first elastomeric member and a second elastomeric member, the first elastomeric member being disposed along the periphery of the disc, the second elastomeric member A restrictive flow orifice disk disposed radially inward of the second elastomer member and along the top surface of the disk; and a second error A flow path defined by the tomer member and the upper surface of the disk, the flow path configured to guide gas to the gas discharge flow path when the disk is in a relaxed state, and extending along the thickness of the disk; One or more openings located between the first elastomeric member and the second elastomeric member, the one or more openings forming an inlet to the flow path, the disk However, the gas discharge path is sealed by contracting from the relaxed state toward the second elastomer member, and the gas flow through the discharge path is prevented by the sealing.
添付の図面と関連した、以下の本発明の好ましい実施例の詳細な説明から、本発明の目的及び利点がより良く理解されよう。図面全体を通して同様の番号は同一の特徴を示す。 The objects and advantages of the present invention will be better understood from the following detailed description of the preferred embodiments of the invention, taken in conjunction with the accompanying drawings. Like numbers refer to like features throughout the drawings.
図１は、本発明の原理に従った自動遮断装置１００の一実施例を示す。装置１００は、ガス供給ボンベ内に、又は、ボンベの下流に位置付けられてよい。好ましくは、装置１００は、ボンベの内部に且つバルブ本体（図示せず）の上流に位置付けられる。装置１００は、正常動作条件下で流量制限器として動作するＲＦＯディスク１０１を含む。一般的に言えば、且つ、より詳細に説明すると、ＲＦＯディスク１０１は、装置１００の下流における破局的故障に起因した、ディスク１０１全体にもたらされた所定の圧力降下に応答して収縮するように設計される。ＲＦＯディスク１０１は、ディスク１０１の下流におけるガスの流れを塞ぐ構成へと収縮する。ガスを閉じ込めるための収縮したディスク１０１の能力によって、安全性のレベルが高められる。 FIG. 1 illustrates one embodiment of an automatic shut-off device 100 in accordance with the principles of the present invention. The apparatus 100 may be located in the gas supply cylinder or downstream of the cylinder. Preferably, the device 100 is positioned inside the cylinder and upstream of the valve body (not shown). The apparatus 100 includes an RFO disk 101 that operates as a flow restrictor under normal operating conditions. Generally speaking, and in more detail, the RFO disk 101 will contract in response to a predetermined pressure drop across the disk 101 due to a catastrophic failure downstream of the device 100. Designed to. The RFO disk 101 contracts to a configuration that blocks the gas flow downstream of the disk 101. The ability of the contracted disk 101 to contain the gas increases the level of safety.
図１は、弛緩状態のディスク１０１の構成を示す。弛緩状態は正常動作条件下で生じ、破局的故障がない範囲に限定される。正常動作条件下で、ディスク１０１全体における圧力降下（Ｐ１−Ｐ２）はわずかである。一実例では、圧力降下は０．０６９ＭＰａＧ（１０ｐｓｉｇ）以下である。ガスは、開口部１３０及び１３１を通ってディスク１０１全体に流れ、その後ガス排出流路１１５に沿って流れる。このような弛緩状態では、ディスク１０１は、ガスが排出路１１５内を流れるようにする流路をもたらす。弛緩したディスク全体における典型的で正常な動作流量は、約１ｓｃｃｍから約２５００ｓｃｃｍまで、好ましくは、約１０ｓｃｃｍから約２００ｓｃｃｍまで、及び、より好ましくは、約３ｓｃｃｍから約５ｓｃｃｍまでとすることができる。このような正常な動作流量でのディスク１０１全体の圧力降下は、ディスク１０１の収縮を引き起こす閾値レベル未満とされる。 FIG. 1 shows the configuration of the disk 101 in a relaxed state. The relaxed state occurs under normal operating conditions and is limited to a range where there is no catastrophic failure. Under normal operating conditions, the pressure drop (P1-P2) across the disk 101 is small. In one example, the pressure drop is less than or equal to 0.069 MPaG (10 psig). The gas flows through the openings 130 and 131 to the entire disk 101 and then flows along the gas discharge channel 115. In such a relaxed state, the disk 101 provides a flow path that allows gas to flow through the exhaust path 115. A typical normal operating flow rate across the relaxed disc can be from about 1 seem to about 2500 seem, preferably from about 10 seem to about 200 seem, and more preferably from about 3 seem to about 5 seem. The pressure drop across the disk 101 at such a normal operating flow rate is less than a threshold level that causes the disk 101 to contract.
ディスク１０１は、第１のエラストマー部材１０２及び第２のエラストマー部材１０３それぞれの間に配置される。第１のエラストマー部材１０２は、基部片１１０においてディスク１０１の周辺に対して密閉されることによって、ディスク１０１の周辺を超えるガスの流れを防止する。第２のエラストマー部材１０３は、第１のエラストマー部材１０２の内方へ配置される。第２のエラストマー部材１０３はディスク１０１に対して密閉されない。よって、図２で説明するように、ディスク１０１は、部材１０３に向かって上向きに収縮可能である。図１の弛緩状態において、ディスク１０１は、予め定められた間隙で第２のエラストマー部材１０３から分離されて、図１のディスク１０１に沿った内方へ導く水平方向の矢印によって示されるように、流路１２２を通るガスの流れを可能にする。開口部１３０及び１３１は、ディスク１０１の全体の厚さに沿って伸張する。開口部１３０及び１３１は、第１のエラストマー部材１０２と第２のエラストマー部材１０３との間に位置する。開口部１３０及び１３１は、図１の開口部１３０及び１３１における垂直方向に導く矢印によって示されるように、ガスがディスク１０１全体を流れることができる通路をもたらす。ガスは、開口部１３０及び１３１を通過後、流路１２２を流れることができる。正常動作条件下で、流路１２２は、ガス流排出路１１５の入口に向かって、ディスク１０１に沿って内方へガスを導く。図１の垂直方向に導く太字の矢印によって示されるように、ガスは、流路１１５の入口に達すると、そこを上方へと流れる。 The disk 101 is disposed between the first elastomer member 102 and the second elastomer member 103. The first elastomer member 102 is sealed against the periphery of the disk 101 in the base piece 110, thereby preventing a gas flow beyond the periphery of the disk 101. The second elastomer member 103 is disposed inward of the first elastomer member 102. The second elastomer member 103 is not sealed with respect to the disk 101. Therefore, as will be described with reference to FIG. 2, the disk 101 can be contracted upward toward the member 103. In the relaxed state of FIG. 1, the disc 101 is separated from the second elastomeric member 103 by a predetermined gap, as shown by the horizontal arrows leading inward along the disc 101 of FIG. Allows the flow of gas through the flow path 122. The openings 130 and 131 extend along the entire thickness of the disk 101. The openings 130 and 131 are located between the first elastomer member 102 and the second elastomer member 103. The openings 130 and 131 provide a passage through which gas can flow through the entire disk 101, as indicated by the vertically directed arrows in the openings 130 and 131 of FIG. The gas can flow through the flow path 122 after passing through the openings 130 and 131. Under normal operating conditions, the flow path 122 guides gas inward along the disk 101 toward the inlet of the gas flow discharge path 115. As indicated by the bold arrows leading vertically in FIG. 1, the gas flows upward when it reaches the inlet of the channel 115.
さらに図１を参照すると、基部片１１０に挿入されたＲＦＯディスク１０１が示されている。基部片１１０内で、ディスク１０１の周辺は、基部片１１０の溝１１７内に配置された第１のエラストマー部材１０２に対して密閉される。基部片１１０は、自動遮断装置１００へのガス注入口１１４において、基部片１１０の底部に位置する粒子フィルタ１７０を含有することができる。ガス注入口１１４は、図１及び２に示される、垂直方向に向けられた太字の矢印によって明示される。 Still referring to FIG. 1, an RFO disk 101 inserted into the base piece 110 is shown. Within the base piece 110, the periphery of the disk 101 is sealed against the first elastomer member 102 disposed in the groove 117 of the base piece 110. The base piece 110 may contain a particle filter 170 located at the bottom of the base piece 110 at the gas inlet 114 to the automatic shut-off device 100. The gas inlet 114 is indicated by a vertically oriented bold arrow shown in FIGS.
上ステム片１１１は、基部片１１０上及びディスク１０１の上部に結合する。上ステム片１１１は、ステム片１１１の溝１１８内に配置された第２のエラストマー部材１０３を含有する。基部片１１０及び上ステム片１１０は、基部片１１０及び上ステム片１１１が合致した時にガス注入口１１４及びガス排出流路１１５をもたらすように、両方の片は互いに位置合わせされた通路を含有する。 The upper stem piece 111 is coupled to the base piece 110 and the upper part of the disk 101. The upper stem piece 111 includes a second elastomer member 103 disposed in the groove 118 of the stem piece 111. The base piece 110 and the upper stem piece 110 contain passages aligned with each other so as to provide a gas inlet 114 and a gas exhaust channel 115 when the base piece 110 and the upper stem piece 111 are mated. .
図２は、ガス排出路１１５内へのガスの流れを塞ぐためにディスク１０１が収縮している自動遮断装置１００を示す。ディスク１０１は、流路１２２及び排出路１１５に沿った流れを塞ぐために、第２のエラストマー部材１０３に対して収縮する。ディスク１０１を、限定はされないが、孔のサイズ、孔の数及びディスクの厚さを含むいくつかの設計パラメータに基づいて、任意の流量で収縮するように設計することができる。一実施例では、ディスク１０１を、ディスク１０１全体の流量が約２００ｓｃｃｍから約１０，０００ｓｃｃｍまでにある時に作動させるように設計することができる。別の実施例では、ディスク１０１を、ガス流量が約４５ｓｃｃｍ以上の時に収縮するように設計することができる。正常動作条件下で、ディスク１０１の上流の圧力（Ｐ１）及びディスク１０１の下流の圧力（Ｐ２）は、ディスク１０１全体におけるガスの流量が低いため、実質的に同様になる。しかしながら、ディスク１０１の下流における破局的故障（例えば、ボンベ構成要素の故障又は下流の機構の故障）又は流れ制御の喪失に起因して、ディスク１０１の開口部１３０及び１３１を通る流れが増すと、ディスクの下流の圧力（Ｐ２）は比較的速く減少する。増加させた圧力降下をディスク１０１全体に発生させて、ディスク１０１をエラストマー部材１０３の方へ収縮させる。ディスク１０１は、この圧力差に応答して上方に収縮又は移動するため、上ステム片１１１上に位置する第２のエラストマー部材１０３と接触且つ係合することになる。ディスク１０１が部材１０３と係合すると、ディスク１０１は、ガス排出路１１５への流路１２２及び入口１１４を塞ぐ。その結果、図２に示されるように、排出路１１５に沿ったガス流は停止する。図２のディスク１０１の構成において、ディスク１０１の下流の圧力（Ｐ２）をほぼ大気圧まで降下させることができるが、ディスク１０１の上流の圧力（Ｐ１）は、実質的にほぼボンベ内の圧力のままである。ディスク１０１全体におけるこの大きな圧力降下により、ディスク１０１は第２のエラストマー部材１０３に対して維持される。ディスク１０１は、閉鎖され収縮した位置にある。圧力降下が解消されると、ディスク１０１は、その正常な弛緩した向きへと再構成可能である。 FIG. 2 shows the automatic shut-off device 100 in which the disk 101 is contracted to block the gas flow into the gas discharge path 115. The disk 101 contracts with respect to the second elastomer member 103 in order to block the flow along the flow path 122 and the discharge path 115. The disk 101 can be designed to shrink at any flow rate based on a number of design parameters including, but not limited to, hole size, number of holes, and disk thickness. In one embodiment, the disk 101 can be designed to operate when the overall flow rate of the disk 101 is from about 200 sccm to about 10,000 sccm. In another example, the disk 101 can be designed to contract when the gas flow rate is about 45 sccm or greater. Under normal operating conditions, the pressure upstream of the disk 101 (P1) and the pressure downstream of the disk 101 (P2) are substantially similar because of the low gas flow rate across the disk 101. However, due to catastrophic failure downstream of the disk 101 (e.g., cylinder component failure or downstream mechanism failure) or loss of flow control, the flow through the openings 130 and 131 of the disk 101 increases. The pressure downstream of the disk (P2) decreases relatively quickly. An increased pressure drop is generated across the disk 101, causing the disk 101 to shrink toward the elastomeric member 103. Since the disk 101 contracts or moves upward in response to this pressure difference, the disk 101 comes into contact with and engages with the second elastomer member 103 located on the upper stem piece 111. When the disk 101 is engaged with the member 103, the disk 101 closes the flow path 122 and the inlet 114 to the gas discharge path 115. As a result, as shown in FIG. 2, the gas flow along the discharge path 115 stops. In the configuration of the disk 101 in FIG. 2, the pressure (P2) downstream of the disk 101 can be reduced to almost atmospheric pressure, but the upstream pressure (P1) of the disk 101 is substantially equal to the pressure in the cylinder. It remains. This large pressure drop across the disk 101 keeps the disk 101 against the second elastomeric member 103. The disk 101 is in a closed and contracted position. When the pressure drop is removed, the disk 101 can be reconfigured to its normal relaxed orientation.
何らかの特定の理論に縛られることのない、破局的故障の場合、オリフィス・ディスク１０１全体におけるチョーク流れ状況（チョークド・フロー・レジム）（ｃｈｏｋｅｄ ｆｌｏｗ ｒｅｇｉｍｅ）が発生して、ディスク１０１を収縮させガス流を塞がせるのに必要な力の差を引き起こすことができると考えられている。ディスク１０１の下流で破局的故障が生じると（例えば、ボンベ構成要素が故障する、又はそのボンベの下流の機構が故障する）、ＲＦＯ装置１００の下流において漏れが発生する。正常動作条件下よりも高いガスの流量がＲＦＯディスク１０１全体に、そして最終的には漏れを通してもたらされる。質量の保存には、ＲＦＯディスク１０１全体において、より高い流量でガスを補給することが必要とされる。よって、ガスの流量はディスク１０１全体において増加する。しかしながら、ＲＦＯディスク１０１内の孔１３０及び１３１は、ディスク１０１全体におけるガスの補給を限定する。ガスのチョーク流れ状況として知られる、限定する流量の状態を、最終的には、ディスク１０１全体において発生させることができ、そこで、ディスク１０１の下流の圧力（Ｐ２）のさらなる減少によって、流量はもはや増加することはない。ディスク１０１全体におけるガス流量は、ディスク１０１内のガス流路の孔１３０及び１３１によって要求される最大値に到達する。その結果、Ｐ２は、比較的速く減少し、チョーク流れ状況に起因してガスのより高い流量による補償を無しとすることができる。ディスク１０１全体における所定の圧力降下（Ｐ１−Ｐ２）に達することで、ディスク１０１をエラストマー部材１０３の方へ収縮させる。この圧力差に応答して、ディスク１０１は上方へ収縮又は移動するため、上ステム片１１１上に位置する第２のエラストマー部材１０３と接触且つ係合することになる。ディスク１０１が部材１０３と係合すると、ディスク１０１は、ガス排出路１１５への流路１２２及び入口１１４を塞ぐ。その結果、図２に示されるように、排出路１１５に沿ったガスの流れは停止する。Ｐ１の圧力が解消されるか、ディスクの下流の圧力Ｐ２が加圧されるかどちらかが生じるまで、ディスク１０１は閉鎖され収縮した位置にある。どちらかの状態によって、ディスク１０１は弛緩し、且つ図１に示されるその正常な弛緩した位置へと再構成できるようになる。 In the event of a catastrophic failure, without being bound by any particular theory, a choked flow regime occurs across the orifice disk 101, causing the disk 101 to contract and gas flow. It is believed that it can cause a difference in the force necessary to block. When a catastrophic failure occurs downstream of the disk 101 (eg, a cylinder component fails or a mechanism downstream of the cylinder fails), a leak occurs downstream of the RFO device 100. A higher gas flow rate than normal operating conditions is provided throughout the RFO disk 101 and ultimately through leakage. In order to preserve the mass, it is necessary to supply gas at a higher flow rate over the entire RFO disk 101. Therefore, the gas flow rate increases in the entire disk 101. However, the holes 130 and 131 in the RFO disc 101 limit gas replenishment throughout the disc 101. A limited flow rate condition, known as the gas choke flow situation, can eventually be generated throughout the disk 101, where the flow is no longer due to further reduction in pressure (P 2) downstream of the disk 101. There is no increase. The gas flow rate throughout the disk 101 reaches the maximum value required by the gas flow passage holes 130 and 131 in the disk 101. As a result, P2 decreases relatively quickly and can be compensated for by higher gas flow rates due to choke flow conditions. By reaching a predetermined pressure drop (P1-P2) in the entire disk 101, the disk 101 is contracted toward the elastomer member 103. In response to this pressure difference, the disk 101 contracts or moves upward, so that it contacts and engages with the second elastomer member 103 positioned on the upper stem piece 111. When the disk 101 is engaged with the member 103, the disk 101 closes the flow path 122 and the inlet 114 to the gas discharge path 115. As a result, as shown in FIG. 2, the gas flow along the discharge path 115 stops. The disk 101 is in the closed and contracted position until either the pressure on P1 is released or the pressure P2 downstream of the disk is increased. Either condition allows the disk 101 to relax and reconfigure to its normal relaxed position shown in FIG.
図１及び図２に示される実施例に従った、適した自動遮断装置のサイズにする基準は、様々なパラメータに左右されることになる。例えば、ガス・ボンベの内部に配置される自動遮断装置の設計には、好ましくは、正常動作条件下でボンベから出るガスの流量と、それを超えたボンベからの流れを隔離すべき流量の閾値と、ディスクの入口において加えられる最大ボンベ圧力とを考慮することになる。一実例において、正常な流量は、約３ｓｃｃｍから約５ｓｃｃｍまでであり、それを超えた流れを隔離すべき流量は、約４５ｓｃｃｍから約５０ｓｃｃｍまでである。ディスクの入口で加えられる最大ボンベ圧力（Ｐ１）は、約８．６２ＭＰａＧ（１２５０ｐｓｉｇ）である。これらの動作状態を前提として、ディスクの適した設計によって、ディスクは、ディスク全体において約３ｓｃｃｍから約５ｓｃｃｍの流量で実質的に収縮されないままであるか、又は弛緩したままであること、且つ、弛緩した構成から収縮した構成へと変容して、流量が約４５ｓｃｃｍから約５０ｓｃｃｍに達する時にガス流を遮断することが可能とされる。ディスクの１つ又は複数の開口部を通るガス流を、当技術分野で認識されるような、オリフィス・プレート計算を利用して概算することができる。オリフィス・プレート計算に基づくと、１０ミクロンの単一の開口部は、ディスク全体の流量が約４５ｓｃｃｍ以上に達すると、約１．３８ＭＰａＧ（２００ｐｓｉｇ）の圧力降下を引き起こす。従って、この実例では、約１．３８ＭＰａＧ（２００ｐｓｉｇ）の圧力降下で、且つ、４５ｓｃｃｍ以上の流量に対応して収縮可能なディスクを選択するのが好ましい。 The criteria for sizing a suitable automatic shut-off device according to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2 will depend on various parameters. For example, the design of an automatic shut-off device located inside a gas cylinder preferably includes a flow rate threshold for isolating the gas flow out of the cylinder under normal operating conditions and the flow from the cylinder beyond it. And the maximum cylinder pressure applied at the disk inlet. In one example, the normal flow rate is from about 3 seem to about 5 seem, and the flow rate beyond which flow should be isolated is from about 45 seem to about 50 seem. The maximum cylinder pressure (P1) applied at the disk inlet is about 8.62 MPaG (1250 psig). Given these operating conditions, due to the appropriate design of the disc, the disc remains substantially uncontracted or relaxed at a flow rate of about 3 sccm to about 5 sccm throughout the disc, and is relaxed. The gas flow can be interrupted when the flow rate reaches from about 45 sccm to about 50 sccm by changing from the above configuration to the contracted configuration. The gas flow through one or more openings in the disk can be approximated using orifice plate calculations, as recognized in the art. Based on the orifice plate calculation, a single 10 micron opening causes a pressure drop of about 1.38 MPaG (200 psig) when the overall disk flow rate reaches about 45 sccm or more. Therefore, in this example, it is preferable to select a disc that can shrink with a pressure drop of about 1.38 MPaG (200 psig) and a flow rate of 45 sccm or more.
種々のパラメータによって、ディスクの収縮作用を決定することができる。１パラメータには、例えば、構築に適した材料の選択、及び、かかる材料を熱処理すべきなのかどうかについて含むことができる。その設計には、例えば、ニッケル、クロム、ステンレス鋼、及びそれらの合金といった、様々な材料が考慮される。それら材料のそれぞれは、定められた圧力Ｐ１を有する特定のガスに対して、所定のガス流量で収縮させるために異なる厚さを要する。他のパラメータの実例は、ディスクの厚さ、ディスクの強度、ディスク内の孔の数及びサイズ、ディスク全体の孔の正味の実効流れ面積、並びに、ディスク表面に沿って圧力が加えられる場所の全有効面積を含むことができる。一実例では、孔のサイズは、約１ミクロンから約１０００ミクロンまで、好ましくは、約１０ミクロンから約１０００ミクロンまでであってよい。またさらには、他のディスク・パラメータは、ディスクが第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間で収縮するのに必要な距離を含むことができる。第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間の距離が大きいほど、エラストマー１０３と接触することによって流れを隔離するためにディスクをより大きく収縮させることが必要になってくる。 Various parameters can determine the shrinking action of the disc. One parameter can include, for example, the selection of a material suitable for construction and whether such material should be heat treated. The design considers various materials such as, for example, nickel, chromium, stainless steel, and alloys thereof. Each of these materials requires a different thickness to contract at a given gas flow rate for a specific gas having a defined pressure P1. Examples of other parameters are: disk thickness, disk strength, number and size of holes in the disk, net effective flow area of holes throughout the disk, and total location where pressure is applied along the disk surface. An effective area can be included. In one example, the pore size may be from about 1 micron to about 1000 microns, preferably from about 10 microns to about 1000 microns. Still further, other disk parameters can include the distance required for the disk to contract between the first elastomeric member and the second elastomeric member. The greater the distance between the first elastomeric member and the second elastomeric member, the more it will be necessary to contract the disk to isolate the flow by contacting the elastomer 103.
さらにまた、適したディスクの設計には、供給されるガスのタイプも考慮に入れるべきである。供給されるガスのタイプは、ディスクの必要とされる厚さに影響を及ぼす可能性がある。ディスクへの入口における圧力（Ｐ１）が低いことによって、比較的より薄いディスクを利用することが可能になる。例えば、アルシン等のガスは、その蒸気圧によって限定される圧力を有する液化ガスである。アルシンによって、２１．１１℃（７０°Ｆ）でおよそ１．３８ＭＰａＧ（２００ｐｓｉｇ）の蒸気圧が加えられる。このような比較的低い供給圧力によってＲＦＯディスクの底部で少量の力（Ｐ１）が加えられるため、薄いディスクを利用することができる。しかしながら、ＢＦ３又はＳｉＨ４などのガスは、８．６２ＭＰａＧ（１２５０ｐｓｉｇ）以上の圧力でボンベ内に充填されるため、これらの用途には、より厚いディスクを要する場合がある。 Furthermore, a suitable disc design should also take into account the type of gas supplied. The type of gas supplied can affect the required thickness of the disk. The lower pressure (P1) at the inlet to the disk allows the use of a relatively thinner disk. For example, a gas such as arsine is a liquefied gas having a pressure limited by its vapor pressure. Arsine applies a vapor pressure of approximately 1.38 MPaG (200 psig) at 21.11 ° C. (70 ° F.). Such a relatively low supply pressure applies a small amount of force (P1) at the bottom of the RFO disk, so that a thin disk can be used. However, gases such as BF 3 or SiH 4 are filled into cylinders at a pressure of 8.62 MPaG (1250 psig) or higher, and these applications may require thicker disks.
自動遮断装置の最適な設計は、破局的故障中にディスク全体にもたらされる所定の流量に応答してディスクが収縮するのを可能にするために、これらのパラメータを均衡化することを伴う。これらのパラメータは、相互に作用して、自動遮断装置の最終的な設計及び構築を決定する。一実例では、熱処理されていない３１６ステンレス鋼から形成される１０ミクロンの単一の開口部を有し、且つ、直径１．９１ｃｍ（０．７５インチ）で２５０ミクロンの厚さを有するディスクを、図１に示されるように、第１のエラストマー部材１０２と第２のエラストマー部材１０３との間に配置するために選択することができる。第１のエラストマー部材１０２は、約１．５６０ｃｍ（０．６１４インチ）の内径及び０．１７７ｃｍ（０．０７０インチ）の厚さを有する。第２のエラストマー部材１０３は、約０．９２５ｃｍ（０．３６４インチ）の内径及び約０．１７７ｃｍ（０．０７０インチ）の厚さを有する。このような設計によって、３１６ステンレス鋼製のディスクは、好ましくは、約３〜５ｓｃｃｍの流量で弛緩したままであるが、約４５ｓｃｃｍ以上のディスクの単一の開口部全体に特定のガスの流量が及ぶ時に、図２の閉鎖された構成へと収縮する。 The optimal design of the automatic shut-off device involves balancing these parameters to allow the disk to contract in response to a predetermined flow rate that is introduced across the disk during a catastrophic failure. These parameters interact to determine the final design and construction of the automatic shut-off device. In one example, a disk having a single 10 micron opening formed from unheat treated 316 stainless steel and having a diameter of 1.91 cm (0.75 inch) and a thickness of 250 microns, As shown in FIG. 1, it can be selected for placement between the first elastomeric member 102 and the second elastomeric member 103. The first elastomeric member 102 has an inner diameter of about 0.614 inches and a thickness of 0.070 inches. The second elastomeric member 103 has an inner diameter of about 0.964 cm (0.364 inch) and a thickness of about 0.177 cm (0.070 inch). With such a design, the 316 stainless steel disc preferably remains relaxed at a flow rate of about 3-5 sccm, but a specific gas flow rate over a single opening in the disc of about 45 sccm or more. When extended, it contracts to the closed configuration of FIG.
ディスクの所定の収縮を実現するために、他の設計も利用することができる。図３は、正常な流量の動作条件下でディスク３２０を早まって上方へ収縮させた場合、ディスク３２０の収縮を減殺するためにばね３１０を利用することができる、自動遮断装置３００の代替的実施例を示す。ばね３１０は巻き部において所定の張力を備え、それによって、ディスク３２０が第２のエラストマー部材３３０の方へ上向きに収縮すると、下方への抵抗を加える。従って、ばね３１０を組み入れた自動遮断装置３００によって、薄いディスク３２０の使用が可能になり、正常なガス流量中に生成された比較的わずかな力に起因して早まって収縮させないようにする。しかしながら、ディスク３２０全体の圧力差が十分大きく、所定の閾値に達する場合、ディスク３２０がばね３２０の下方への抵抗を減殺し、且つ、第２のエラストマー部材３３０に対して上方へ収縮して排出路３１５へのガスの流れを塞ぐことができるように、ディスク３２０とばね３１０とを組み合わせて設計するのが好ましい。それに応じて、ばね３１０は、ディスク３２０の収縮を引き起こす場合の応答性を微調整することができる。 Other designs can also be utilized to achieve a predetermined shrinkage of the disk. FIG. 3 shows an alternative implementation of an automatic shut-off device 300 that can utilize a spring 310 to reduce the contraction of the disk 320 when the disk 320 is prematurely contracted upward under normal flow operating conditions. An example is shown. The spring 310 has a predetermined tension in the winding, thereby applying a downward resistance when the disk 320 contracts upward toward the second elastomeric member 330. Thus, the automatic shut-off device 300 incorporating the spring 310 allows the use of a thin disk 320 and prevents premature contraction due to the relatively small force generated during normal gas flow. However, if the pressure differential across the disk 320 is sufficiently large to reach a predetermined threshold, the disk 320 will reduce the downward resistance of the spring 320 and will contract and eject upward relative to the second elastomeric member 330. It is preferable to design the disk 320 and the spring 310 in combination so that the gas flow to the path 315 can be blocked. Accordingly, the spring 310 can fine tune the responsiveness when causing the disk 320 to contract.
収縮に加えて、本発明の自動遮断装置は、軸方向の平行移動によってガス流を塞ぐこともできる。この点で、図４は、内側エラストマー部材４３０と外側エラストマー部材４４０とをディスク４２０の上部に沿って配置する、自動遮断装置４００の別の実施例を示す。適切な位置で外側エラストマー部材４４０に対して固定されたディスク４２０が示されている。通路４１６を形成するために、ディスク４２０と内側エラストマー部材４３０との間に所定の間隙が存在する。図４は、ディスク４２０全体を通る正常なガス流量に対する開放された構成にあるディスク４２０を示す。正常な動作流量条件にある間、ディスク４２０は、ディスク４２０の開口部４５０及び４６０を通って、その後排出路４１５の方へ通路４１６に沿って流れるガスの流れを可能にするために、図４に示されるように開放されている。図３に示される設計と同様に、ばね４５０は、ディスク４２０に対して下方への力を加えて、ディスク４２０が収縮した構成へと早まって移動しないようにする。 In addition to contraction, the automatic shut-off device of the present invention can also block gas flow by axial translation. In this regard, FIG. 4 illustrates another embodiment of an automatic shut-off device 400 that places an inner elastomeric member 430 and an outer elastomeric member 440 along the top of the disk 420. A disk 420 is shown secured to the outer elastomeric member 440 in the proper position. A predetermined gap exists between the disk 420 and the inner elastomeric member 430 to form the passage 416. FIG. 4 shows the disk 420 in an open configuration for normal gas flow through the entire disk 420. While in normal operating flow conditions, the disk 420 passes through openings 450 and 460 in the disk 420 and then flows toward the exhaust path 415 along the passage 416 to allow gas flow. It is open as shown in Similar to the design shown in FIG. 3, the spring 450 applies a downward force on the disk 420 to prevent the disk 420 from prematurely moving to a contracted configuration.
図５は、閉鎖条件における図４のディスク４２０を示す。具体的には、所定の過剰な流れ条件が生じると（例えば、５０ｓｃｃｍ以上）、ディスク４２０全体における圧力降下が閾値まで増加して、ディスク４２０の底部に対して十分な上方への力がもたらされる。その力によって、ディスク４２０をばね４５０によって加えられた下方への力に対向させ、それによって、収縮中に内側エラストマー部材４３０へ向かって上方へ軸方向に平行移動させる。ディスク４２０は、ディスク４２０の上部に沿って配置されたエラストマー部材４３０及び４４０双方に起因して、上向きに自由に移動する。最終的に、収縮によるこの軸方向の平行移動によって、ディスク４２０は内側エラストマー部材４３０と接触且つ係合する。ディスク４２０と内側エラストマー部材４３０との係合によって、通路４１６は塞がれ、それによって、排出路４１５へのガス流を防止する。図１の装置１００によって説明した設計パラメータに加えて、図４及び図５に示される装置４００は、装置４００の収縮応答性を適切に微調整するために、外側エラストマー部材４４０の硬度、及びばね４５０の剛性も考慮に入れる場合がある。 FIG. 5 shows the disk 420 of FIG. 4 in a closed condition. Specifically, when a predetermined excessive flow condition occurs (eg, 50 sccm or more), the pressure drop across the disk 420 increases to a threshold, resulting in a sufficient upward force against the bottom of the disk 420. . That force causes the disk 420 to oppose the downward force applied by the spring 450, thereby translating axially upward toward the inner elastomeric member 430 during contraction. The disk 420 is free to move upward due to both elastomeric members 430 and 440 disposed along the top of the disk 420. Ultimately, this axial translation due to contraction causes the disk 420 to contact and engage the inner elastomeric member 430. Engagement of the disk 420 with the inner elastomeric member 430 blocks the passage 416, thereby preventing gas flow to the exhaust passage 415. In addition to the design parameters described by the apparatus 100 of FIG. 1, the apparatus 400 shown in FIGS. 4 and 5 provides the hardness of the outer elastomeric member 440 and springs to properly fine tune the shrinkage responsiveness of the apparatus 400. 450 stiffness may also be taken into account.
「実例」
所定の流量による偏位に応答して流れを隔離する本発明の自動遮断装置の能力を評価するための試験を行った。試験に利用された自動遮断装置は図１に示される装置である。０．０２５ｃｍ（０．０１０インチ）の厚さで成形されたディスクは、円形且つ平坦である。当該ディスクは、熱処理されていないＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）合金から形成され、ディスクの厚さを通り、１０ミクロンのサイズの単一の開口部を有するものであった。ディスクは、図１に示される基部及びステム内に収容され、その後流線に接続された。
"Illustration"
A test was conducted to evaluate the ability of the automatic shut-off device of the present invention to isolate the flow in response to a deviation due to a predetermined flow rate. The automatic shut-off device used for the test is the device shown in FIG. A disk molded with a thickness of 0.025 cm (0.010 inches) is circular and flat. The disc was formed from an unheated Inconel® alloy and had a single opening of 10 microns size through the thickness of the disc. The disc was housed in the base and stem shown in FIG. 1 and then connected to the streamline.
自動遮断装置の上流の流線は、８．６２ＭＰａＧ（１２５０ｐｓｉｇ）の圧力で維持された窒素ラインに接続された。自動遮断装置の下流側はマニホールドに接続された。そのマニホールドは、２つの質量流量調整器を含む。流量調整器のうちの１つは、０〜１０ｓｃｃｍの流量を有する（１０ｓｃｃｍのＭＦＣ）。もう１つの流量調整器は、０〜１０００ｓｃｃｍの流量を有する（１０００ｓｃｃｍのＭＦＣ）。バルブは、質量流量調整器それぞれの上流に位置付けられた。 The streamline upstream of the automatic shut-off device was connected to a nitrogen line maintained at a pressure of 8.62 MPaG (1250 psig). The downstream side of the automatic shut-off device was connected to the manifold. The manifold includes two mass flow regulators. One of the flow regulators has a flow rate of 0-10 sccm (10 sccm MFC). Another flow regulator has a flow rate between 0 and 1000 sccm (1000 sccm MFC). A valve was positioned upstream of each mass flow regulator.
２つの別個の圧力変換器（ＰＴ）を使用して、ＲＦＯディスクの上流及び下流の圧力が測定された。ＭＦＣ及びＰＴは両方ともデータ取得システムに接続された。試験開始時に、１０ｓｃｃｍのＭＦＣが目標流量の５ｓｃｃｍに設定された。１０ｓｃｃｍのＭＦＣの上流のバルブは開放された。図６の破線で示されるように、ディスク全体を流れる５ｓｃｃｍの流量が測定されたが、これは、ディスクが早まって収縮状態に構成されなかったことを示す。図６の水平の実線によって示されるように、８．６２ＭＰａＧ（１２５０ｐｓｉｇ）のままの、ディスクの上流の圧力Ｐ１が測定された。ディスクの下流の圧力Ｐ２は、約８．５８ＭＰａＧ（１２４５ｐｓｉｇ）であると推定された。図６は、正常動作条件下のＰ２がわずかにＰ１に満たなかったことを示す。３〜５ｓｃｃｍの低い流量で動作する時に必要とされる構成であるため、０．０３４ＭＰａＧ（５ｐｓｉｇ）のＰ１−Ｐ２のわずかな圧力降下により、ディスクは収縮しなかった。 Two separate pressure transducers (PT) were used to measure the pressure upstream and downstream of the RFO disk. Both MFC and PT were connected to a data acquisition system. At the start of the test, 10 sccm MFC was set to the target flow rate of 5 sccm. The valve upstream of the 10 sccm MFC was opened. As indicated by the dashed line in FIG. 6, a flow rate of 5 sccm flowing through the entire disk was measured, indicating that the disk was not prematurely configured into a contracted state. As shown by the horizontal solid line in FIG. 6, the pressure P1 upstream of the disk was measured, still at 8.62 MPaG (1250 psig). The pressure P2 downstream of the disk was estimated to be about 8.58 MPaG (1245 psig). FIG. 6 shows that P2 under normal operating conditions was slightly less than P1. Due to the required configuration when operating at a low flow rate of 3-5 sccm, the disk did not shrink due to a slight pressure drop of P34-P2 of 0.034 MPaG (5 psig).
高い流量の条件を特徴とする下流の故障をシミュレートするために、１０００ｓｃｃｍのＭＦＣの上流のバルブは、１０００ｓｃｃｍのＭＦＣを通る流れを約２００ｓｃｃｍに設定して開放された。バルブの故障が生じるようにシミュレートされた領域は、図６に示される垂直方向矢印によって画定される。ディスクを通る測定された流量は、図６に示されるように、約５５〜５８ｓｃｃｍに達した。ディスク全体の流量が約５０ｓｃｃｍを超えて増加すると、ディスクの下流の推定圧力Ｐ２は、約７．２４ＭＰａＧ（１０５０ｐｓｉｇ）まで減少した。ディスクの上流の圧力Ｐ１は８．６２ＭＰａＧ（１２５０ｐｓｉｇ）のままで変化しなかった。従って、流量が約５５〜５８ｓｃｃｍまで増加したため、約１．３８ＭＰａＧ（２００ｐｓｉｇ）の圧力降下がディスク全体に生じたことが観察された。このような圧力降下は、ディスクの底部に沿って上方への力を加え、且つ、ディスクが内側エラストマー部材に向かって上方へ収縮する（図２）には十分であった。ディスクと内側エラストマー部材との係合によって、窒素ガスの流れが塞がれた。ディスクが窒素ガスの流れを隔離した後、図６が示すように、急速にゼロへと下がる下流の圧力Ｐ２が計算された。ＭＦＣを通る流量が、それに対応して、図６に示されるようにゼロへと降下することによって、ディスクが収縮し、ガス流路を閉鎖したことが示された。ディスクは、閉鎖され、収縮した位置にとどまった。従って、ディスクは、正常動作条件で約５ｓｃｃｍのガス流を可能にし、約５０〜６０ｓｃｃｍでガス流を隔離する能力を実証した。自動遮断について観察された応答時間が１秒未満だったことで、ボンベから漏れたガス量が最小限に抑えられた。 In order to simulate a downstream failure characterized by high flow conditions, the valve upstream of the 1000 sccm MFC was opened with the flow through the 1000 sccm MFC set to about 200 sccm. The region simulated for valve failure is defined by the vertical arrows shown in FIG. The measured flow rate through the disc reached approximately 55-58 sccm, as shown in FIG. As the overall flow rate of the disc increased beyond about 50 sccm, the estimated pressure P2 downstream of the disc decreased to about 7.24 MPaG (1050 psig). The pressure P1 upstream of the disk remained at 8.62 MPaG (1250 psig) and remained unchanged. Thus, it was observed that a pressure drop of about 1.38 MPaG (200 psig) occurred across the disk as the flow rate was increased to about 55-58 sccm. Such a pressure drop was sufficient to apply an upward force along the bottom of the disk and to shrink the disk upward toward the inner elastomeric member (FIG. 2). The engagement of the disk with the inner elastomeric member blocked the nitrogen gas flow. After the disk sequestered the nitrogen gas flow, the downstream pressure P2, which rapidly dropped to zero, was calculated, as FIG. 6 shows. Correspondingly, the flow rate through the MFC dropped to zero as shown in FIG. 6, indicating that the disk contracted and closed the gas flow path. The disc remained closed and contracted. Thus, the disc demonstrated the ability to sequester the gas flow at about 50-60 sccm, allowing about 5 sccm of gas flow at normal operating conditions. The observed response time for automatic shut-off was less than 1 second, minimizing the amount of gas leaking from the cylinder.
「比較実例」
流量制限器を利用した比較試験運転を上述と同様の方法で行った。従来のＲＦＯを利用した。図７は試験結果のグラフを示す。１０００ｓｃｃｍのＭＦＣは、その最大能力である１００％に設定された。高い流量の条件を特徴とする下流の故障をシミュレートした時、制限器は流れを遮断しなかった。その代りに、制限器は、ＭＦＣによって測定された２００ｓｃｃｍに流れを安定させた。流れは隔離されず、流量制限器の下流の圧力Ｐ２はゼロまで低減しなかった。従って、かなりの量のガスがボンベから漏れた。
"Comparison example"
A comparative test operation using a flow restrictor was performed in the same manner as described above. A conventional RFO was used. FIG. 7 shows a graph of the test results. The 1000 sccm MFC was set to its maximum capacity of 100%. When simulating a downstream fault characterized by high flow conditions, the restrictor did not block the flow. Instead, the restrictor stabilized the flow to 200 sccm as measured by MFC. The flow was not isolated and the pressure P2 downstream of the flow restrictor did not decrease to zero. Therefore, a considerable amount of gas leaked from the cylinder.
自動遮断装置についての様々な他の設計上の修正が考慮される。例えば、図８は、基部８１０及びステム８２０が互いに対して螺合可能である代替的設計を示す。エラストマー部材８０１及び８０２がエラストマー製Ｏリング部材として示されるが、ディスクを基部８１０及びステム８２０に対して密閉する他の手段が考慮される。例えば、鉛、ニッケル、銅といった軟質金属を利用して、基部８１０とステム８２０とを密閉することができる。或いは、テフロン（登録商標）コートしたステンレス鋼シートなどのポリマー封入金属シールを使用することができる。さらにまた、適切なシールを実現するために、シールの断面を必要に応じて修正することができる。例えば、矩形で楕円形の断面形状の設計を採用することができる。 Various other design modifications for the automatic shut-off device are considered. For example, FIG. 8 shows an alternative design in which the base 810 and the stem 820 can be threaded together. While elastomeric members 801 and 802 are shown as elastomeric O-ring members, other means of sealing the disc to base 810 and stem 820 are contemplated. For example, the base 810 and the stem 820 can be sealed using a soft metal such as lead, nickel, or copper. Alternatively, a polymer encapsulated metal seal such as a Teflon-coated stainless steel sheet can be used. Furthermore, the seal cross-section can be modified as necessary to achieve a proper seal. For example, a rectangular and elliptical cross-sectional design can be employed.
別の設計変更において、図１に示されるように、基部片１１０に対して密閉された第１のエラストマー部材１０２に隣接したディスク１０１の周辺を配置することとは対照的に、ＲＦＯ装置１００を、中に含有する筐体に所定位置で溶接することができる。 In another design change, as shown in FIG. 1, the RFO device 100 may be configured as opposed to positioning the periphery of the disk 101 adjacent to the first elastomeric member 102 sealed to the base piece 110. , It can be welded at a predetermined position to the housing contained therein.
様々な実施例において説明したような自動遮断装置は、潜在的に、破局的な下流の故障に起因して、流量の増加が生じる場合があるガス送出システム内のどこにでも配置可能である。例えば、装置を、ボンベのバルブ本体又はボンベの首いずれかに位置するボンベのバルブ・シートの上流に位置付けることができる。好ましくは、装置は、ボンベ本体の内部に、及び、真空駆動式チェック・バルブ、調節器、質量流量調整器、又は他の流量制御装置といった、自動制御された流通装置の上流に位置付けられる。 The automatic shut-off device as described in the various embodiments can potentially be placed anywhere in the gas delivery system where increased flow may occur due to catastrophic downstream failures. For example, the device can be positioned upstream of a cylinder valve seat located either on the cylinder valve body or on the cylinder neck. Preferably, the device is located inside the cylinder body and upstream of an automatically controlled flow device, such as a vacuum driven check valve, regulator, mass flow regulator, or other flow control device.
自動遮断装置を、例えば、それぞれがその全体において参照によって本明細書に組み込まれている、米国特許第５，９３７，８９５号、同第６，００７，６０９号、同第６，０４５，１１５号、同第６，９５９，７２４号、同第７，９０５，２４７号、及び米国特許出願第１１／４７７，９０６号に開示された真空駆動式バルブ並びに調節装置を含む、様々なバルブ及び調節装置と組み合わせて利用することもできる。一実施例では、自動遮断装置を、ガス・ボンベの内部に配置された真空駆動式装置又は調節器の上流に配置することができる。別の実施例では、自動遮断装置を、米国特許出願第１１／４７７，９０６号に開示されたガラス・キャピラリの代替として使用することができる。 US Pat. Nos. 5,937,895, 6,007,609, 6,045,115, each of which is incorporated herein by reference in its entirety. Various valves and regulators, including vacuum actuated valves and regulators disclosed in US Pat. Nos. 6,959,724, 7,905,247, and US Patent Application No. 11 / 477,906 Can also be used in combination. In one embodiment, the automatic shut-off device can be located upstream of a vacuum driven device or regulator located inside the gas cylinder. In another embodiment, an automatic shut-off device can be used as an alternative to the glass capillary disclosed in US patent application Ser. No. 11 / 477,906.
本発明のある実施例であると考えられるものについて示し記載してきたが、当然ながら、本発明の趣旨及び範囲を逸脱しない限りにおいて、形式又は細部における様々な修正及び変更を容易になすことができることは理解されたい。従って、本発明は、本明細書に示し記載した形式及び細部そのものにも、本明細書に開示され、以降特許請求される本発明の全体よりも狭いいずれのものにも限定されることのないことが意図されている。 While what has been considered and considered certain embodiments of the invention has been shown and described, it should be understood that various modifications and changes in form or detail may be readily made without departing from the spirit and scope of the invention. I want to be understood. Accordingly, the present invention is not limited to the precise forms and details shown and described herein, nor to anything narrower than the entire invention disclosed and claimed herein. Is intended.
本発明の第３の態様において、加圧したボンベ内のガスの流れを隔離するためのシステムが提供される。当該システムは、加圧ガスを保持するボンベと、ボンベの上部分に取り付けられたバルブ本体によって一部画定されたガス排出路であって、前記バルブ本体は、バルブを通る流路が塞がれた閉鎖位置から開放位置に移動することによって、ガスがバルブ本体を流れることが可能になるように構成された密閉部材を含有する、ガス排出路と、バルブ本体の密閉部材の上流に配置された制限流量オリフィス・ディスクであって、前記ディスクは、第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間に取り付けられ、第１のエラストマー部材はディスク周辺に沿って配置され、第２のエラストマー部材は、第１のエラストマー部材の内方へ径方向に、且つ、ディスクの上面に沿って配置される、制限流量オリフィス・ディスクと、第２のエラストマー部材及びディスクの上面によって画定される流路であって、ディスクが弛緩状態にある時にガスをガス排出流路へ導くように構成された流路と、ディスクの厚さに沿って伸張し、第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間に位置する１つ又は複数の開口部であって、流路への入口を形成する１つ又は複数の開口部と、を含み、前記ディスクが、弛緩状態から第２のエラストマー部材の方へと収縮することによってガス排出路を密閉するように構成され、その密閉によって、排出路を通るガスの流れが防止される。 In a third aspect of the invention, a system is provided for isolating gas flow in a pressurized cylinder. The system is a gas discharge passage partially defined by a cylinder holding pressurized gas and a valve body attached to the upper part of the cylinder, and the valve body is blocked by a flow path through the valve. A gas exhaust passage containing a sealing member configured to allow gas to flow through the valve body by moving from the closed position to the open position, and disposed upstream of the valve body sealing member A restricted flow orifice disk, wherein the disk is mounted between a first elastomeric member and a second elastomeric member, the first elastomeric member being disposed along the periphery of the disc, the second elastomeric member It is inward in the radial direction of the first elastomeric member, and is disposed along the upper surface of the disk, and limits the flow orifice disc, the second error A flow path defined by the tomer member and the upper surface of the disk, the flow path configured to guide gas to the gas discharge flow path when the disk is in a relaxed state, and extending along the thickness of the disk; One or more openings located between the first elastomeric member and the second elastomeric member, the one or more openings forming an inlet to the flow path, the disk However, the gas discharge path is sealed by contracting from the relaxed state toward the second elastomer member, and the gas flow through the discharge path is prevented by the sealing.
上ステム片１１１は、基部片１１０上及びディスク１０１の上部に結合する。上ステム片１１１は、ステム片１１１の溝１１８内に配置された第２のエラストマー部材１０３を含有する。基部片１１０及び上ステム片１１１は、基部片１１０及び上ステム片１１１が合致した時にガス注入口１１４及びガス排出流路１１５をもたらすように、両方の片は互いに位置合わせされた通路を含有する。 The upper stem piece 111 is coupled to the base piece 110 and the upper part of the disk 101. The upper stem piece 111 includes a second elastomer member 103 disposed in the groove 118 of the stem piece 111. The base piece 110 and the upper stem piece 11 1 is to provide a gas inlet 114 and the gas discharge channel 115 when the support piece 110 and the upper stem piece 111 is met, containing both pieces are aligned with each other passageway To do.
ディスクの所定の収縮を実現するために、他の設計も利用することができる。図３は、正常な流量の動作条件下でディスク３２０を早まって上方へ収縮させた場合、ディスク３２０の収縮を減殺するためにばね３１０を利用することができる、自動遮断装置３００の代替的実施例を示す。ばね３１０は巻き部において所定の張力を備え、それによって、ディスク３２０が第２のエラストマー部材３３０の方へ上向きに収縮すると、下方への抵抗を加える。従って、ばね３１０を組み入れた自動遮断装置３００によって、薄いディスク３２０の使用が可能になり、正常なガス流量中に生成された比較的わずかな力に起因して早まって収縮させないようにする。しかしながら、ディスク３２０全体の圧力差が十分大きく、所定の閾値に達する場合、ディスク３２０がばね３１０の下方への抵抗を減殺し、且つ、第２のエラストマー部材３３０に対して上方へ収縮して排出路３１５へのガスの流れを塞ぐことができるように、ディスク３２０とばね３１０とを組み合わせて設計するのが好ましい。それに応じて、ばね３１０は、ディスク３２０の収縮を引き起こす場合の応答性を微調整することができる。 Other designs can also be utilized to achieve a predetermined shrinkage of the disk. FIG. 3 shows an alternative implementation of an automatic shut-off device 300 that can utilize a spring 310 to reduce the contraction of the disk 320 when the disk 320 is prematurely contracted upward under normal flow operating conditions. An example is shown. The spring 310 has a predetermined tension in the winding, thereby applying a downward resistance when the disk 320 contracts upward toward the second elastomeric member 330. Thus, the automatic shut-off device 300 incorporating the spring 310 allows the use of a thin disk 320 and prevents premature contraction due to the relatively small force generated during normal gas flow. However, if the pressure differential across the disk 320 is sufficiently large to reach a predetermined threshold, the disk 320 will reduce the downward resistance of the spring 3 10 and will contract upward relative to the second elastomeric member 330. Therefore, it is preferable to design the disk 320 and the spring 310 in combination so that the gas flow to the discharge path 315 can be blocked. Accordingly, the spring 310 can fine tune the responsiveness when causing the disk 320 to contract.
Claims (20)
第１の場所に配置された第１のエラストマー部材によって所定位置で密閉された、制限流量オリフィス・ディスクと、
第２の場所に配置された第２のエラストマー部材であって、前記ディスクが弛緩状態にある時に、前記ディスク及び前記第２のエラストマー部材が前記ガス排出流路への流路を形成する前記第２のエラストマー部材と、
前記ディスクの厚さを通って伸張し、前記第１のエラストマー部材と前記第２のエラストマー部材との間に位置する１つ又は複数の開口部であって、前記ディスクが前記弛緩状態にある時に、前記ガスを前記ガス排出流路に導くように構成される前記流路へ、前記１つ又は複数の開口部を通って前記ガスが流れる前記１つ又は複数の開口部と、を含み、
前記ディスクは、前記ディスク全体の圧力降下を引き起こす所定の流量に応答して、前記弛緩状態から前記第２のエラストマー部材の方へ収縮し、且つ、前記ガス排出流路を密閉するために前記第２のエラストマー部材と係合するように構成される、自動遮断装置。 An automatic shut-off device for isolating the flow of pressurized gas from the gas discharge flow path,
A restricted flow orifice disk sealed in place by a first elastomeric member disposed in a first location;
A second elastomer member disposed at a second location, wherein the disk and the second elastomer member form a flow path to the gas discharge flow path when the disk is in a relaxed state; Two elastomer members;
One or more openings extending through the thickness of the disk and located between the first elastomeric member and the second elastomeric member when the disk is in the relaxed state The one or more openings through which the gas flows through the one or more openings to the flow path configured to guide the gas to the gas discharge flow path;
The disk contracts from the relaxed state toward the second elastomer member in response to a predetermined flow rate that causes a pressure drop across the disk and to seal the gas exhaust flow path. An automatic shut-off device configured to engage two elastomeric members.
第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間で静止状態に保持される制限流量オリフィス・ディスクであって、前記ディスクの周辺が前記第１のエラストマー部材に対して密閉されて、前記周辺のガスの流れを防止する、前記制限流量オリフィス・ディスクと、
上記ディスクの上面に沿って配置され、前記第１のエラストマー部材の内方へ径方向に配置された第２のエラストマー部材であって、前記ディスクが弛緩状態にある時に、前記ディスク及び前記第２のエラストマー部材が前記ガス排出流路への流路を形成する前記第２のエラストマー部材と、
前記ディスクの厚さを通って伸張し、前記第１のエラストマー部材と前記第２のエラストマー部材との間に位置する１つ又は複数の開口部であって、前記ディスクが前記弛緩状態にある時に、前記ガスを前記排出流路へと前記第２のエラストマー部材を超えて内方へ径方向に導くように構成される流路へ、前記１つ又は複数の開口部を通ってガスが流れる前記１つ又は複数の開口部と、を含み、
前記ディスクは、前記ディスク全体の圧力降下をもたらす所定の流量に応答して、前記弛緩状態から前記第２のエラストマー部材の方へ収縮して、前記ガス排出流路を密閉するように構成される、自動遮断装置。 An automatic shut-off device for isolating the flow of pressurized gas from the gas discharge flow path,
A limited flow orifice disc held stationary between a first elastomeric member and a second elastomeric member, wherein the periphery of the disc is sealed to the first elastomeric member, Said restrictive flow orifice disc to prevent gas flow of
A second elastomeric member disposed along an upper surface of the disk and disposed radially inward of the first elastomeric member when the disk and the second elastomeric member are in a relaxed state; The second elastomer member in which the elastomer member forms a flow path to the gas discharge flow path;
One or more openings extending through the thickness of the disk and located between the first elastomeric member and the second elastomeric member when the disk is in the relaxed state The gas flows through the one or more openings to a flow path configured to guide the gas radially inwardly beyond the second elastomer member to the discharge flow path. One or more openings, and
The disc is configured to contract from the relaxed state toward the second elastomer member in response to a predetermined flow rate that causes a pressure drop across the disc to seal the gas exhaust passage. Automatic shut-off device.
加圧ガスを保持するボンベと、
前記ボンベの上部分に取り付けられたバルブ本体によって一部画定されたガス排出路と、
前記バルブ本体の上流に配置された制限流量オリフィス・ディスクであって、閉鎖位置から移動することによって前記バルブを通る流路が塞がれて、開放位置に移動することによって、ガスが前記バルブ本体を流れることが可能になるように構成された密閉部材を前記バルブ本体が含有し、前記ディスクは、第１のエラストマー部材と第２のエラストマー部材との間に取り付けられ、前記第１のエラストマー部材は前記ディスク周辺に沿って配置され、前記第２のエラストマー部材は、前記第１のエラストマー部材の内方へ径方向に、且つ、前記ディスクの上面に沿って配置される、前記制限流量オリフィス・ディスクと、
前記第２のエラストマー部材及び前記ディスクの前記上面によって画定される流路であって、前記ディスクが弛緩状態にある時にガスをガス排出流路へ導くように構成された前記流路と、
前記ディスクの厚さに沿って伸張し、前記第１のエラストマー部材と前記第２のエラストマー部材との間に位置する１つ又は複数の開口部であって、前記流路への入口を形成する前記１つ又は複数の開口部と、を含み、
前記ディスクが、前記ディスク全体における所定の圧力降下に応答して、前記弛緩状態から前記第２のエラストマー部材の方へと収縮することによって、前記ガス排出路を密閉するように構成され、前記密閉によって、前記排出路を通るガスの流れが防止される、システム。 A system for isolating the flow of gas in a high pressure cylinder,
A cylinder for holding pressurized gas;
A gas discharge passage partially defined by a valve body attached to the upper portion of the cylinder;
A restrictive flow orifice disk disposed upstream of the valve body, wherein the flow path through the valve is blocked by moving from a closed position, and gas is moved to the open position by moving to the open position; The valve body includes a sealing member configured to allow flow through the first elastomer member and the disk is mounted between the first elastomer member and the second elastomer member. Is disposed along the periphery of the disk, and the second elastomeric member is disposed radially inward of the first elastomeric member and along the top surface of the disk. A disc,
A flow path defined by the second elastomeric member and the upper surface of the disk, the flow path configured to guide gas to a gas discharge flow path when the disk is in a relaxed state;
One or more openings extending along the thickness of the disk and located between the first elastomeric member and the second elastomeric member, forming an inlet to the flow path The one or more openings, and
The disk is configured to seal the gas discharge path by contracting from the relaxed state toward the second elastomer member in response to a predetermined pressure drop across the disk, Prevents the flow of gas through the discharge path.
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